Dopage et physique des défauts pour l'optimisation des propriétés électriques de l’oxyde d’hafnium ferroélectrique – D3PO

Les dispositifs à base de dioxyde d’hafnium ferroélectrique sont compatibles avec les technologies silicium, très peu consommateurs d’énergie, et offrent le potentiel d’être intégrés à bas coût dans les nœuds avancés de la microélectronique pour réaliser des capteurs, des mémoires non-volatiles ultra-basse consommation, de la logique ou encore des applications neuromorphiques. Actuellement l’oxyde d’hafnium et de zirconium (HfxZr1-xO2) est le matériau offrant la fenêtre de stœchiométrie la plus large pour fabriquer des couches ferroélectriques ultra-minces (10nm) possédant une polarisation rémanente élevée. Néanmoins cet alliage nécessite la présence de lacunes d’oxygène (VO) pour stabiliser sa phase ferroélectrique, et montre des problèmes de fiabilité. La concentration en VO est difficile à contrôler dans cet alliage et peut dégrader les propriétés électriques comme la stabilité de la polarisation, compromettant ainsi les applications en logique et en mémoire utilisant ce matériau ferroélectrique.

Une voie alternative pourrait être d’utiliser l’oxyde d’hafnium sous sa forme stœchiométrique, qui ne possède pas de lacunes d’oxygène, et d’utiliser des dopants judicieusement choisis pour optimiser les propriétés ferroélectriques sans toutefois introduire des VO. Cela présenterait l’avantage majeur d’avoir des propriétés ferroélectriques stables et reproductibles dans le HfO2 dopé, contrairement à celles du HfxZr1-xO2 qui dépendent de la quantité incontrôlée de VO.

Dans ce projet D3PO, nous explorerons cette voie en étudiant la structure atomique et électronique du dioxyde d’hafnium (HfO2) dopé de manière sélective et contrôlée en utilisant des calculs ab-initio et des simulations sous champ (phase-field) permettant de décrire les corrélations entre la structure atomique et électrique induite par le dopant et les propriétés ferroélectriques.

Une large gamme de dopants, concentrations de dopants et conditions de procédé seront considérées dans un premier temps afin de fournir une évaluation initiale de la corrélation entre la chimie du dopant et les propriétés électroniques.

Les matériaux sélectionnés par simulation (types de dopant et concentration dans des couches de HfO2 d’épaisseur comprise entre 5nm et 10nm) seront dans un second temps étudiés expérimentalement sous la forme de condensateurs ferroélectriques de surface > 50µm², puis intégrés sous la forme de matrices de condensateurs de surface < 0,1µm² permettant de fournir des données pertinentes d’un point de vue technologique et statistique.

D’un point de vue fondamental, D3PO permettra une meilleure compréhension de l’impact des dopants sur la chimie locale, la structure électronique, la composition de phases et leurs effets sur les paramètres matériau et ferroélectriques, incluant la température de cristallisation et la polarisation rémanente. Une approche itérative utilisant le condensateur ferroélectrique comme système modèle permettra l’optimisation des dopants et des procédés de dépôts en vue de l’optimisation des propriétés ferroélectriques.

Dans un troisième temps, nous élaborerons des modèles physiques en se basant sur les dispositifs fabriqués, utilisant les paramètres issus des simulations ab-initio et les caractérisations électriques et structurales des couches déposées afin de prédire, grâce aux mesures pertinentes d’un point de vue statistique, les caractéristiques clés des couches ferroélectriques comme le réveil (wake-up), l’endurance, la tenue en température (retention), la fuite (leakage), et le claquage (breakdown) de ces couches ferroélectriques à base de dioxyde d’hafnium dopé sans lacunes d’oxygène.