研究目的
通过高速脉冲电荷-电压测量展示铁电Hf0.5Zr0.5O2薄膜中无迟滞的负电容现象，并提取用于器件建模的朗道参数。
研究成果
在HZO/Al2O3叠层中实现了低至100纳秒脉冲宽度的无迟滞负电容，其S型P-E曲线可直接拟合朗道系数。较薄的Al2O3薄膜显示出更大的迟滞效应，这凸显了电容匹配对于数字应用中实际负电容器件的重要性。
研究不足
由于RC延迟，测量设置将脉冲宽度限制在100纳秒；无法实现更短的脉冲。对于较薄的Al2O3层（<1.8纳米），由于电容失配和潜在的电荷俘获效应，观察到了迟滞现象。
1：实验设计与方法选择：
本研究基于朗道理论对S形极化-电场曲线建模，采用脉冲电荷-电压测量法探究含Al2O3层的HZO薄膜中的负电容现象。
2：样品选择与数据来源：
在硅衬底上制备了MFM和MFIM电容器，HZO厚度为7.7纳米和11.3纳米，Al2O3厚度为0.5纳米至4纳米。
3：7纳米和3纳米，Al2O3厚度为5纳米至4纳米。 实验设备与材料清单：
3. 实验设备与材料清单：设备包括BESTEC物理气相沉积仪、牛津仪器OpAL原子层沉积仪、布鲁克D8 Discover X射线衍射仪、蔡司Libra 200透射电镜、Cascade Microtech探针台、配备4225-PMU模块的Keithley 4200 SCS半导体参数分析仪、惠普8110A脉冲发生器以及泰克TDS7154B数字示波器。材料包含TiN电极、通过原子层沉积制备的HZO和Al2O3薄膜，以及TEMA-Hf、TEMA-Zr、TMA和水等前驱体。
4：实验流程与操作步骤：
制备过程包括磁控溅射TiN电极、HZO和Al2O3的原子层沉积、600°C退火处理及电容器焊盘定义。电学测量采用标准P-E迟滞回线、电容-电压测试及通过脉冲发生器和示波器进行的脉冲Q-V测量。
5：数据分析方法：
通过电流积分获取电荷量，计算电场强度，并拟合朗道理论方程以提取α和β等参数。
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获取完整内容-
Atomic Layer Deposition Tool
OpAL
Oxford Instruments
Used for growing HZO and Al2O3 films by ALD at 260°C.
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X-ray Diffractometer
D8 Discover
Bruker
Used for X-ray reflectometry and grazing-incidence X-ray diffraction measurements for structural analysis.
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Transmission Electron Microscope
Libra 200
Zeiss
Used for TEM analysis to examine sample cross-sections and structures.
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Semiconductor Characterization System
4200 SCS
Keithley
Used for electrical measurements, including with a 4225-PMU and remote amplifier.
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Digital Oscilloscope
TDS7154B
Tektronix
Used to measure current and voltage during pulsed measurements.
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Physical Vapor Deposition Tool
BESTEC
BESTEC
Used for reactively sputtering TiN bottom electrodes at room temperature.
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Probe Station
Cascade Microtech
Used for electrical measurements in conjunction with other instruments.
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Pulse Generator
8110A
HP
Used to apply voltage pulses for pulsed charge-voltage measurements.
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