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氮化鋁覆蓋層應用於氧化鋯鉿鐵電元件之電性分析
(2025) 林書玄; Lin, Shu-Hsuan
隨著科技近年日新月異的發展越加迅速，科技也在不斷的創新，帶動人工智慧(AI)、物聯網(IoT)應用技術、5G/6G通訊、汽車自動駕駛、高效能運算(HPC)等關鍵技術的成長，數據存取及整理相對重要，鐵電記憶體就扮演格外重要的角色，以其低功耗、讀寫快、耐久度優異的表現，成為其半導體發展重點。本研究使用氨電漿沉積氮化鋁作為覆蓋層，希望能減少介面缺陷產生，穩定上電極與氧化鋯鉿薄膜的介面品質，並且調變氮化鋁覆蓋層的氮含量10%、20%、40%、50%，探討其對氧化鋯鉿鐵電/反鐵電元件特性之影響。根據實驗結果皆以退火溫度600 °C為最佳條件，氮化鋁覆蓋層鐵電結構在操作電壓2.5 V下，在氮含量50%有最優異的兩倍殘餘極化量20.52 µC/cm²，在漏電流量測可以得知所有氮化鋁覆蓋層鐵電結構的漏電流值介在1.49×10-10 A ~ 1.15×10-9 A之間皆低於無覆蓋層鐵電結構2.25×10-9 A，氮化鋁覆蓋層反鐵電結構在操作電壓3.5 V下，氮化鋁覆蓋層反鐵電結構(N:20%、50%)表現出明顯反鐵電雙遲滯曲線特徵，且所有氮化鋁覆蓋層結構的漏電流值皆低於無覆蓋層反鐵電結構，觀察到在氮含量50%氮化鋁覆蓋層應用在鐵電或反鐵電結構上顯著提升極化特徵，並且抑制漏電流，推測高氮含量可以強化氮化鋁覆蓋層鍵結，提升熱穩定性，相較於其他氮含量結構，更有利於鐵電/反鐵電相的形成，同時達到抑制漏電流的效果。在耐久度分析中，從實驗結果得知與氮化鋁覆蓋層鐵電結構經過108次循環操作次數測試後的衰減率介在80.8% ~ 86%之間，皆低於無覆蓋層鐵電結構的89.9%。接著討論無覆蓋層反鐵電結構經過108次循環操作次數測試後的衰減率為13.5%，其中氮化鋁覆蓋層反鐵電結構(N:20%、40%、50%)的兩倍殘餘極化量略為提高，以上實驗結果顯示氮化鋁覆蓋層應用於鐵電/反鐵電結構中可以提升元件耐久度，改善的主要歸因於氮化鋁覆蓋層也可作為介面調控層，均勻分散電場應力於鐵電層上，且也能有效減少介面缺陷產生，降低元件漏電流、使元件在長期操作下仍能維持穩定的電性表現。再進一步探討比較在電壓3 V與退火溫度700 °C條件下，結果顯示鐵電結構於10⁷次循環即發生崩潰，而反鐵電結構則可穩定運作至10⁸次，然而反鐵電結構相比鐵電結構具備更持久可靠度，可能歸因其內部氧空位較少，能有效延緩薄膜擊穿，並且氮化鋁覆蓋層反鐵電結構的衰減率低於無覆蓋層反鐵電結構的66.5%，顯示出氮化鋁覆蓋層可以減少介面缺陷並穩定介面品質。