FET ferroélectriques à nanocristaux intégrés (NEI) pour dispositifs à capacité négative et applications de mémoire non volatile

Contexte

Les transistors à effet de champ avec une couche d'isolant de grille ferroélectrique (FeFET) ont suscité un intérêt considérable pour une variété d'applications de circuits intégrés. En raison de ses propriétés inhérentes de capacité négative (NC), un FeFET peut obtenir un comportement de commutation plus raide qu'un MOSFET conventionnel, permettant un fonctionnement à plus basse tension [1]. Diverses structures de canaux [2,3,4] et matériaux [5,6,7] ont obtenu une oscillation sous-seuil (SS) inférieure à 60 mV/décennie. Aussi, l'hystérésis dans le courant-tension (I -V ) caractéristique due à la polarisation résiduelle (P _r ) peut être utilisé pour une application de mémoire non volatile (NVM) [8]. Le développement de matériaux pour les FeFET s'est récemment concentré sur le HfO₂ dopé polycristallin en raison de sa meilleure évolutivité en épaisseur [9] et de sa compatibilité avec les processus CMOS [2]. Cependant, il existe toujours une limite fondamentale pour HfO₂ mise à l'échelle de l'épaisseur pour éviter un courant de fuite de grille indésirable ; ceci à son tour limite le FinFET [2]. Inspiré du concept de nanocristal MOS et de dispositif de mémoire [10, 11], une couche diélectrique isolante (DE) avec des nanocristaux ferroélectriques (FE) intégrés est introduite dans ce travail. La nouvelle conception de dispositif résultante illustrée sur la figure 1 est appelée FeFET « Nanocrystal-Embedded-Insulator » (NEI). Le principal avantage de cette conception est une couche FE/DE unifiée plus fine qui répond à l'exigence de faible fuite de grille.

un Étapes clés du processus de fabrication des transistors ferroélectriques à effet de champ NEI. b Schéma 3D du NEI FeFET fabriqué

Dans ce travail, les NEI FeFET sont rapportés. Les propriétés physiques et la ferroélectricité des couches NEI avec différentes épaisseurs physiques sont caractérisées. Les performances électriques des FeFET NEI sont étudiées pour la logique basse tension et les applications NVM.

Méthodes

Les étapes clés du processus de fabrication des FeFET NEI sont illustrées à la figure 1a. Des plaquettes Ge(001) de type n de quatre pouces avec une résistivité de 0,088 à 0,14 cm ont été utilisées comme substrats de départ. Après nettoyage de la pré-grille à l'aide de HF dilué, des plaquettes de Ge(001) ont été chargées dans une chambre de dépôt de couche atomique (ALD) pour le dépôt de la couche NEI comprenant ZrO₂ nanocristaux noyés dans Al₂ amorphe O₃ matrice. Des couches NEI de différentes épaisseurs ont été utilisées dans ce travail. La grille métallique TaN a été déposée sur les FeFET NEI en utilisant la pulvérisation cathodique réactive. Après la structuration et la gravure de la grille, BF₂ ⁺ des ions ont été implantés dans les régions source/drain à une énergie de 20 keV et une dose de 1 × 15 cm ⁻² . Trente nanomètres de nickel (Ni) ont été déposés dans les régions source/drain à l'aide du procédé lift-off. Enfin, la fabrication du dispositif a été complétée par un recuit thermique rapide (RTA). Commandez des transistors à effet de champ à semi-conducteurs et à oxyde métallique (MOSFET) avec un Al₂ purement diélectrique O₃ une couche d'isolation de grille a également été fabriquée.

La figure 1b montre le schéma 3D du NEI FeFET fabriqué, qui comprend des nanocristaux FE intégrés dans une couche isolante de grille DE amorphe. Bien que le volume de matériau FE soit petit, il est suffisant pour les applications NCFET et NVM. Le matériau DE isolant est essentiel pour obtenir une faible fuite de grille et une faible tension de fonctionnement ; il doit avoir à la fois une large bande interdite et une permittivité diélectrique élevée (κ ). Il devrait également prévoir un champ coercitif élevé (E _c ) des nanocristaux FE intégrés.

L'image au microscope électronique à transmission en coupe (XTEM) de la figure 2a montre les régions de bord de source/drain, de canal et de grille d'un FeFET fabriqué. Les figures 2b et c indiquent que les épaisseurs des couches NEI étudiées dans ce travail sont respectivement de 3,6 et 2,1 nm. A noter qu'une couche interfaciale de GeO_x existe entre la couche NEI et Ge, bien qu'il ne soit pas visible.

un Image XTEM montrant les régions de grille, de canal et de source/drain de NEI-FeFET. b et c Images XTEM de la pile de grilles de FeFET avec des couches NEI de 3,6 et 2,1 nm d'épaisseur, respectivement

Les images TEM haute résolution (HRTEM) de la figure 3 montrent le ZrO₂ nanocristaux noyés dans Al₂ amorphe O₃ sur Ge(001) dans les échantillons NEI avec des épaisseurs de 3,6 et 6 nm. Dans nos travaux précédents, nous avons montré que le pourcentage atomique de Zr dans la couche NEI est inférieur à 0,5% [12]. Sur la base des diagrammes de diffraction, l'espacement interplanaire d dans les nanocristaux est calculé à 0,173 nm, ce qui correspond à (111) orthorhombique orienté ZrO₂ phase [13].

Images HRTEM montrant des nanocristaux noyés dans de l'Al₂ amorphe O₃ pour les échantillons d'épaisseurs a 3,6 nm et b 6 nm. Les encarts montrent que l'espacement interplanaire d dans le nanocristal est de 0,173 nm, correspondant à o-ZrO₂ (111) phase

Polarisation par rapport à la tension (P -V ) et des mesures de microscopie de force à réponse piézoélectrique (PFM) ont été effectuées sur les échantillons NEI avec les différentes épaisseurs. Pour caractériser la ferroélectricité de la couche NEI, P -V courbes de TaN/NEI (3,6 nm)/Ge, TaN/NEI (6 nm)/Si_0,7 Ge_0.3 , et les condensateurs TaN/NEI (10 nm)/TaN sont représentés sur les figures 4a, b et c, respectivement. La couche NEI présente un P inférieur que les valeurs rapportées de HfZrO₂ (HZO) [14], ce qui est dû au fait que le rapport volumique de ZrO₂ nanocristal dans Al₂ O₃ matrice est assez faible. On voit que la polarisation résiduelle P _r du film NEI augmente avec l'augmentation de l'épaisseur du film. P-V les courbes de la figure 4c indiquent que la ferroélectricité de la couche NEI dégénère tandis que la température de recuit augmente de 450 à 550 °C. Il est à noter que la raison de la non-fermeture du P-V boucles, c'est parce qu'une fuite existe bel et bien. Il a été rapporté que le décalage résultant à un champ électrique nul diminue à mesure que la plage de balayage de tension est réduite [3, 15, 16]. Les images d'amplitude (supérieure) et de phase (inférieure) de 3,6 nm, 6 nm et 10 nm NEI ont été mesurées, comme le montrent les figures 5a, b et c, respectivement. Comme le montre la figure 6, les motifs indiquant la polarité opposée écrits sur la surface de NEI sur TaN présentent le contraste le plus net avec l'augmentation de l'épaisseur du film.

un –c P mesuré -V courbes de TaN/NEI (3,6 nm)/Ge, TaN/NEI (6 nm)/Si_0,7 Ge_0.3 , et TaN/NEI (10 nm)/TaN, respectivement

un –c Images d'amplitude (supérieure) et de phase (inférieure) de la mesure PFM pour 3,6, 6 et 10 nm NEI sur TaN, respectivement

un –c Caractéristiques de changement de phase de 3,6, 6 et 10 nm NEI sur TaN, respectivement. On observe que la polarité opposée peut être écrite sur la surface de la couche NEI

Résultats et discussion

NEI NCFET

La figure 7a montre le I mesuré _DS -V _GS courbes des NEI NCFET d'une épaisseur NEI de 3,6 nm recuits à 450 °C et 500 °C. Les NCFET présentent peu d'hystérésis indiquant la bonne correspondance entre la capacité ferroélectrique et la capacité MOS dans les transistors. Les NCFET montrent l'effet NC induit dans le sens horaire I-V boucles, ce qui contraste avec les boucles dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par piégeage/dépiégeage de charge [17]. La fuite de la porte I _G en fonction de V _GS de la même paire d'appareils démontre que la formation de nanocristaux dans Al₂ O₃ n'augmente pas la fuite de grille. La figure 7b montre que les NCFET atteignent les points SS abrupts inférieurs à 60 mV/décennie pour les balayages aller et retour. Les fluctuations SS dans le NEI NCFET, également observées dans les FinFET NC [2, 18], pourraient être dues à la commutation de polarisation par les différents nanocristaux ou domaines ferroélectriques. Le I mesuré _DS -V _DS les courbes pour la même paire de dispositifs sur la figure 7c montrent qu'à ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1,0 V, le NCFET avec RTA à 500 °C atteint 29% plus grand I _DS par rapport au transistor recuit à 450 °C. Ceci est attribué au fait que la mobilité des porteurs dans les caractéristiques de résistance de canal et de contact peut être améliorée avec l'augmentation de la température de recuit [19]. La caractéristique typique induite par la couche ferroélectrique, la résistance différentielle négative (NDR), est observée dans le I _DS -V _DS courbes pour les NCFET recuits aux différentes températures.

un Mesuré I _DS -V _GS et Je _G -V _GS courbes de NCFET avec NEI de 3,6 nm recuits à 450 °C et 500 °C. b NEI NCFET a les points inférieurs à 60 mV/décade pour un V _DS valeur de − 0,05 V. c Je _DS -V _DS courbes pour les NEI NCFET montrant les phénomènes évidents de NDR. Le transistor NC recuit à 500 °C atteint un I de 29 % _DS amélioration par rapport à l'appareil avec RTA à 450 °C à une tension d'alimentation de 1,0 V

La figure 8a montre le I mesuré _DS -V _GS courbes d'un NEI NCFET et d'un MOSFET de contrôle avec la même épaisseur d'isolant de 2,1 nm. Les appareils ont un L _G de 6 µm. Le NCFET présente les caractéristiques sans hystérésis. L'encart montre le point SS vs. I _DS courbes pour les dispositifs, démontrant qu'une amélioration de la SS est obtenue dans le NCFET par rapport au dispositif de contrôle, jusqu'à la tension de seuil. La figure 8b montre le I _DS -V _DS courbes du NEI NCFET et du MOSFET de contrôle. NCFET présente le phénomène NDR pour le faible V _GS . L'effet NDR correspond aux caractéristiques améliorées d'abaissement de la barrière induite par le drain (DIBL) dans le NCFET par rapport au MOSFET de contrôle, comme le montre la figure 8a. À ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1.0 V, un 16% I _DS l'amélioration est obtenue en NCFET par rapport au dispositif de contrôle. Le NCFET avec un NEI de 2,1 nm a le NDR le moins important par rapport au transistor avec un NEI de 3,6 nm, ce qui est cohérent avec la conclusion de [20].

un Je _DS -V _GS courbes d'un NEI NCFET et MOSFET de contrôle avec Al₂ pur O₃ diélectrique. Les deux appareils ont l'isolateur de grille de 2,1 nm. L'encart montre que le NCFET a une SS plus raide que le dispositif de commande jusqu'à la tension de seuil. b Mesuré I _DS -V _DS courbes pour NCFET et MOSFET de contrôle. NDR est observé pour NCFET à très faible V _GS . À ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1,0 V, le NCFET atteint un I de 16 % _DS amélioration par rapport au dispositif de contrôle

La dépendance à la température du NCFET avec un NEI de 3,6 nm d'épaisseur est étudiée ici. La figure 9a montre I _DS -V _GS courbes mesurées à 10 °C et 30 °C. L'encart indique que les performances SS du transistor ne se dégradent pas aux températures élevées. Lorsque la température augmente, le I -V la courbe se déplace vers un V plus négatif _GS en raison de l'effet dominant de la ferroélectricité, qui est contraire à la tendance d'un MOSFET conventionnel. La figure 9b résume les décalages de la tension d'hystérésis et de la tension de seuil de commutation directe avec la température. Transférer V _GS passe à des valeurs plus négatives à mesure que la température augmente, ce qui peut être dû à une augmentation de E _c du NEI.

un Je _DS -V _GS d'un NCFET NEI (3,6 nm) mesuré à 10 °C et 30 °C. Les courbes montrent un décalage vers une tension plus négative avec l'augmentation de la température, comme prévu. L'encart montre le point abrupt SS. b Tracés statistiques de l'hystérésis (à gauche) et de l'avance V _GS @ 10 ⁻⁷ A/μm (à droite) pour les NCFET avec une couche NEI de 3,6 nm. Transférer V _GS se déplace dans le sens négatif avec l'augmentation de la température

NEI FeFET pour application de mémoire non volatile

En augmentant la plage de V _GS balayage, la tension d'hystérésis d'un NEI FeFET peut être augmentée pour obtenir une fenêtre mémoire (MW) large et stable pour les opérations de lecture et d'écriture. Comme le montre la figure 10, un FeFET avec un NEI de 3,6 nm démontre que le MW augmente de 0,2 à 1,14 V en tant que V _GS la plage de balayage varie de (0,1 V, − 0,1 V) à (1 V, − 2 V). L'endurance de balayage CC d'un autre dispositif de mémoire FeFET est représentée sur la figure 11a, la figure 11b illustre les caractéristiques d'hystérésis en fonction du nombre de cycles de balayage CC. I-V stable une fenêtre d'hystérésis de ~ 0.65 V est visible.

Pour un grand V _GS Plage de balayage DC, un MW de 1,14 V est observé pour le FeFET NEI (3,6 nm)

un Mesuré I _DS -V _GS courbes pour NEI (3,6 nm) FeFET, à travers 1000 cycles de balayage DC. b Les mesures d'endurance de balayage CC montrent que le NEI FeFET a un MW stable sur 1000 cycles

La figure 12 compare le dispositif de mémoire NEI FeFET aux FeFET rapportés, en ce qui concerne l'épaisseur des couches MW et FE [8, 21-24]. Il convient de noter que le dispositif NEI FeFET dans ce travail atteint un MW important (> 1 V) avec l'épaisseur FE la plus mince signalée de 3,6 nm. Nous supposons qu'il est plus facile d'atteindre la phase FE stable dans NEI avec une épaisseur plus petite, par rapport au HfO dopé ₂ [28,29,30].

Analyse comparative du dispositif de mémoire NEI FeFET par rapport aux FeFET signalés, en ce qui concerne MW et t _FE . Le FE le plus fin est obtenu grâce au dispositif de mémoire NEI FeFET

Enfin, les avantages du NEI FeFET apporté par ZrO₂ les nanocristaux noyés dans l'isolant de grille amorphe sont discutés. La figure 13 compare la couche NEI au HfO dopé signalé₂ films [2, 3, 21, 25-27], en ce qui concerne E _c et P _r . NEI peut atteindre un P bien inférieur _r par rapport au HfO dopé₂ pour un E similaire _c . Nos expériences ont démontré qu'un P _r en dessous de 1 C/cm ² peut fournir le MW requis dans les FeFET. Une polarisation excessive pourrait conduire à une plus grande dépolarisation, entraînant de pires caractéristiques de rétention, ce qui a été rapporté dans [25]. De plus, les propriétés FE et DE de la couche NEI peuvent être ajustées séparément :P _r est amélioré/réduit en augmentant/diminuant le volume de nanocristaux FE, et κ est augmenté en incorporant d'autres éléments dans la matrice amorphe (par exemple . , LaAlO₃ ), pour optimiser les performances du FeFET.

Analyse comparative des couches NEI par rapport au HfO dopé signalé₂ films, en ce qui concerne E _c et P _r . NEI atteint un P bien inférieur _r par rapport au HfO dopé₂ tout en conservant un E similaire _c. [2, 3, 21, 25,26,27]

Conclusions

Nouveaux FeFET avec ZrO₂ nanocristaux noyés dans un Al₂ amorphe O₃ couche d'isolation de grille sont signalés. Les analyses physiques indiquent que moins de 0,5 % de Zr dans Al₂ O₃ produit suffisamment de ferroélectricité pour les applications NCFET et NVM. Un effet NC stable est observé à différentes températures de mesure. Un fonctionnement stable de la mémoire FeFET avec un isolant de grille record (épaisseur totale de 3,6 nm) est démontré. Une MW stable est obtenue sur 1000 cycles d'endurance CC. La conception NEI FeFET proposée fournit une voie pour réduire l'épaisseur de la couche d'isolant de grille FE/DE pour être compatible avec les FinFET avec de très petits pas d'ailettes.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

ALD :

Dépôt de couche atomique

BF₂ ⁺ :

Ion fluorure de bore

DC :

Courant continu

Ec :

Champ coercitif

FeFET :

Transistor ferroélectrique à effet de champ

Voir :

Germanium

GeO_x :

Oxyde de Germanium

HF :

Acide fluorhydrique

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

Je _DS :

Courant de vidange

MOSFET :

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

MW :

Fenêtre mémoire

NC :

Capacité négative

NDR :

Résistance différentielle négative

NEI :

Isolant en nanocristaux

Non :

Nickel

Pr :

Polarisation résiduelle

RTA :

Recuit thermique rapide

SS :

Balançoire sous le seuil

TaN :

Nitrure de tantale

V _GS :

Tension de grille

V _TH :

Tension de seuil

ZrO₂ :

Dioxyde de zirconium