Transistors ferroélectriques à effet de champ ZrO2 activés par les dipôles à vide d'oxygène commutable

Contexte

Poly-HfO dopé₂ Les transistors ferroélectriques à effet de champ (FeFET) ont suscité un intérêt considérable dans les applications de mémoire non volatile (NVM) en raison de leur compatibilité avec les processus CMOS [1]. Bien que les performances électriques décentes aient été démontrées dans le HfO₂ dopé à base de FeFET [2], certaines limitations fondamentales entravent encore leurs applications pratiques, notamment le budget thermique élevé du recuit de 500 °C requis pour former des phases cristallines orthorhombiques et le courant de fuite indésirable le long des joints de grains avec la réduction de l'épaisseur ferroélectrique. La ferroélectricité a été largement observée dans une variété de matériaux différents, par exemple, Sb₂ S₃ nanofils [3], GaFeO₃ film [4], LaAlO₃ -SrTiO₃ film [5], et Al₂ amorphe O₃ contenant des nanocristaux [6, 7]. Récemment, nous avons signalé les FeFET avec du ZrO₂ partiellement cristallisé isolant de porte fonctionnant comme NVM et synapse analogique [8]. Bien que le ZrO₂ les transistors ont présenté des performances électriques décentes avec une épaisseur plus fine par rapport au HfO dopé signalé ₂ , le mécanisme sous-jacent de la ferroélectricité dans ZrO₂ le film reste flou. Il est essentiel et important d'élucider l'origine de la polarisation commutable P pour évaluer la limite de performance de ZrO₂ FeFET.

Dans ce travail, TaN/ZrO₂ Des FeFET /Ge avec des isolants de 2,5 nm, 4 nm et 9 nm d'épaisseur sont fabriqués. Le P commutable en TaN/ZrO₂ Il est proposé que le condensateur /Ge provienne de la migration des lacunes d'oxygène et des charges négatives entraînées par la tension. Les impacts du ZrO₂ épaisseur et le recuit thermique post-rapide (RTA) sur le P de TaN/ZrO₂ /Ge et les caractéristiques de fenêtre de mémoire (MW), d'endurance et de rétention des FeFET sont étudiées.

Méthodes

FeFET avec ZrO₂ l'isolateur de grille ont été fabriqués sur 4 pouces. Substrat n-Ge(001) en utilisant un processus similaire dans [8, 9]. Après le nettoyage de pré-grille dans la solution diluée de HF (1:50), les plaquettes de Ge ont été chargées dans une chambre de dépôt de couche atomique (ALD). ZrO₂ des films d'épaisseur 2,5 nm, 4 nm et 9 nm ont été déposés à 250 °C en utilisant TDMAZr et H₂ O comme précurseurs de Zr et O, respectivement. Une électrode de grille TaN de 100 nm d'épaisseur a été déposée par pulvérisation cathodique réactive. Après la formation de l'électrode de grille, les régions source/drain (S/D) ont été implantées par BF₂ ⁺ à la dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² et une énergie de 20 keV. Au total, des contacts S/D en nickel (Ni) de 15  nm ont été formés par un processus de décollement. Enfin, le RTA à 350, 450 et 500 °C pendant 30 s a été réalisé.

La figure 1a montre le schéma du transistor fabriqué. La figure 1b–d montre les images au microscope électronique à transmission (MET) du TaN/ZrO₂ /Ge échantillons avec 2,5, 4 et 9  nm d'épaisseur ZrO₂ , respectivement. Tous les échantillons ont subi un RTA à 500 °C pendant 30 s. Le 2.5 nm ZrO₂ l'échantillon reste un film isolant après le recuit. Pour l'échantillon de 4 nm, bien que quelques nanocristaux soient observés, ZrO₂ reste une couche amorphe. Alors que la cristallisation complète se produit pour le 9 nm ZrO₂ film. Notamment, une couche interfaciale (IL) de GeO_x existe entre le ZrO₂ et la région du canal Ge, bien qu'elle soit trop mince pour être observée dans les images MET.

un Schéma du TaN/ZrO₂ fabriqué /Ge FeFET. b , c , et d Images HRTEM du TaN/ZrO₂ /Ge stacks avec différents ZrO₂ épaisseurs. Les échantillons ont subi un RTA à 500 °C pendant 30 s

Résultats et discussion

La figure 2 montre le P en fonction de la tension (V ) pour les courbes TaN/ZrO₂ Condensateurs /Ge avec différents ZrO₂ épaisseurs et différentes températures de recuit. Les lignes pleines de différentes couleurs représentent les boucles mineures avec diverses plages de tension de balayage (V _plage ). La fréquence de mesure est de 1 kHz. Les 2,5 nm et 4 nm ZrO₂ les appareils peuvent présenter une ferroélectricité stable après un RTA à 350 °C. La figure 3 trace le P restant (P _r ) en fonction du V de balayage courbes de gamme pour les condensateurs recuits à différentes températures.

P mesuré contre V caractéristiques du TaN/ZrO₂ Condensateurs /Ge avec différents ZrO₂ épaisseurs et différentes températures de recuit

Comparaison de P _max en fonction de V _plage pour le TaN/ZrO₂ Condensateurs /Ge avec différents ZrO₂ épaisseurs et différentes températures de recuit

La figure 3 montre la comparaison de P _max en fonction de V _plage pour le TaN/ZrO₂ Condensateurs /Ge avec les différents ZrO₂ épaisseurs et les différentes températures RTA. Pour le 4 nm ZrO₂ appareils, lorsque la température de recuit augmente de 350 à 450 °C, un V plus grand _plage est nécessaire pour obtenir un P fixe _max . Ceci est attribué au fait que la température de recuit plus élevée produit des couches interfaciales (IL) plus épaisses entre à Ge/ZrO₂ et ZrO₂ /TaN, conduisant à une plus grande épaisseur équivalente de capacité unifiée (CET). Pour le 2.5 nm ZrO₂ condensateurs, l'échantillon avec un recuit de 500 °C a un V inférieur _plage que l'échantillon de recuit à 350 °C avec le même P _max . Bien que les IL s'épaississent avec l'augmentation de la température du RTA, certains ZrO₂ a été consommée par le piégeage de l'oxygène et l'interdiffusion à l'interface. Pour le très fin ZrO₂ dispositif, ce dernier est dominant. Par rapport au 2.5 nm ZrO₂ condensateur, un V beaucoup plus grand _plage est nécessaire pour obtenir un P similaire _max . Cependant, le 9 nm ZrO₂ le condensateur ne présente pas le V le plus élevé _plage en comparaison avec l'appareil 4 nm. Ceci est dû au cristal ZrO₂ qui a un κ beaucoup plus élevé valeur que le film amorphe, ce qui réduit considérablement le CET du dispositif 9 nm.

La figure 4a montre l'évolution extraite des P positifs et négatifs _r , noté \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \)et \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), respectivement, pour le 4 nm- épais ZrO₂ condensateurs avec RTA à différentes températures sur 10 ⁶ cycles de balayage mesurés à 1 kHz. Les appareils recuits à 350 °C et 450 °C présentent un effet de réveil évident. Aucun réveil ni empreinte n'est observé pour le 4 nm ZrO₂ condensateur ferroélectrique a subi un recuit à 500 ° C. La figure 4b compare le P _r en fonction des cycles de balayage pour les appareils avec les différents ZrO₂ épaisseurs. Le 4 nm ZrO₂ le condensateur ferroélectrique permet d'améliorer la stabilité de P _r endurance par rapport aux appareils 2.5 nm et 9 nm pendant les 10 ⁶ épreuve d'endurance.

un P _r par rapport au nombre de cycles de balayage d'impulsions en ms pour 4 nm ZrO₂ condensateurs avec différentes températures RTA. b P _r par rapport au nombre de cycles de balayage d'impulsions en ms pour le ZrO₂ condensateurs après recuit à 500 °C

La commutation P est observé dans ZrO₂ amorphe capacité, et on en déduit que le mécanisme doit être différent de celui du poly-HfO dopé rapporté₂ films ferroélectriques. Nous proposons que le mécanisme sous-jacent du comportement ferroélectrique est lié aux dipôles de la lacune d'oxygène. Il est bien connu que, à mesure que le métal TaN se dépose, les couches de piégeur d'oxygène de Ta augmenteront la concentration d'oxygène manquant à l'intérieur de ZrO₂ [dix]. Des lacunes en oxygène apparaissent également au niveau du ZrO₂ /Ge interface. La figure 5 montre les schémas du P commutable en TaN/ZrO₂ /Ge provenant de la migration des lacunes d'oxygène et des charges négatives pour former les dipôles positifs et négatifs. Il est supposé que les charges négatives dans ZrO₂ sont liés à la vacance Zr [11], qui est similaire à celles de Al₂ O₃ cinéma [12]. La migration des lacunes d'oxygène induites par la tension a été largement démontrée dans les dispositifs de mémoire vive résistive [13, 14]. Il s'agit notamment de la première démonstration de transistors non volatils à trois bornes dominés par les lacunes d'oxygène commandées par la tension.

Schémas du mécanisme pour P commutable en ZrO₂ condensateurs, ce qui est attribué à la migration des lacunes d'oxygène et des charges négatives entraînées par la tension pour former des dipôles

Le P-V l'hystérésis active le ZrO₂ FeFETs pour obtenir un MW important et stable pour les applications NVM embarquées (eNVM). La figure 6 montre le I mesuré _DS -V _GS courbes de 2,5, 4 et 9 nm ZrO₂ FeFET pour les deux états de polarisation avec des conditions de programmation/effacement (P/E) de 1 µs. Les transistors ont été recuits à 500 °C. L'opération de programme (effacement) est obtenue en appliquant des impulsions de tension positives (négatives) à la grille du ZrO₂ FeFET, pour augmenter (baisser) sa tension de seuil (V _TH ). V _TH est défini comme V _GS à 100 nA·W/L, et MW est défini comme la variation maximale de V _TH . Tous les FeFET avec divers ZrO₂ les épaisseurs ont un MW supérieur à 1  V avec des impulsions P/E de 1  μs. Pour atteindre un MW similaire, une tension d'effacement plus élevée est nécessaire pour le 9 nm ZrO₂ FeFET par rapport aux deux autres transistors. On voit qu'une plus grande magnitude efface V _GS est nécessaire pour obtenir le décalage à peu près égal de I-V par rapport à la courbe initiale par rapport au programme V _GS . Il est supposé que les lacunes d'oxygène contribuant au P proviennent principalement de la réaction entre TaN et ZrO₂ , comme l'état initial du dispositif sur la figure 5a. En tant que V positif _GS (programme) est appliqué, les lacunes d'oxygène diffusent et s'accumulent dans la couche proche du ZrO₂ /Ge (Fig. 5b), où la distribution des dipôles de lacunes d'oxygène est assez différente de l'état initial. Il est donc facile de déplacer le I-V courbe vers un |V plus élevé _TH | avec un V positif _GS . Cependant, en tant que V négatif _GS (effacement) est appliqué, la rétrodiffusion des lacunes d'oxygène ramène l'empilement de grilles à son état d'origine (Fig. 5c). Donc l'amplitude du négatif efface V _GS doit être augmenté pour obtenir le décalage équivalent de I-V au programme positif V _GS .

Mesuré I _DS -V _GS courbes du ZrO₂ de 2,5, 4 et 9  nm d'épaisseur FeFET pour l'état initial et les deux états de polarisation avec des impulsions P/E de 1 s

Comme la largeur d'impulsion P/E est réduite à 100 ns, le ZrO₂ Les FeFET démontrent toujours un MW décent, comme le montre la figure 7a. Surtout, le transistor avec 2.5 nm ZrO₂ recuit à 350 ° C atteint un MW de 0,28   V. La figure 7b trace le MW en fonction du nombre de cycles pour les FeFET avec divers ZrO₂ épaisseurs avec une condition d'impulsion P/E de 100  ns. Le 4 nm ZrO₂ l'appareil atteint des performances d'endurance considérablement améliorées par rapport aux 2,5 nm et 9 nm ZrO₂ FeFET, qui présentent un effet de réveil et une fatigue évidents dans les 10 ³ cycles.

un Je _DS -V _GS courbes du ZrO₂ de 2,5, 4 et 9  nm d'épaisseur FeFET pour les deux états de polarisation avec des impulsions P/E de 100  ns. Les appareils ont subi une RTA à 500 °C. b FeFET avec 4 nm ZrO₂ a une endurance améliorée par rapport aux 2,5 et 9 nm ZrO₂ transistors

Enfin, le test de rétention du ZrO₂ Les FeFET sont caractérisés et représentés sur les Fig. 8 et 9. La figure 8a montre l'évolution de I _DS -V _GS courbes pour les deux états de polarisation du 4 nm ZrO₂ Les FeFET ont subi une RTA à 350, 450 et 500 °C. Le piégeage des charges conduit à la réduction des appareils avec le temps. Comme le montre la figure 8b, les performances de rétention des dispositifs peuvent être améliorées avec l'augmentation de la température RTA. Un MW de ~ 0,46 V est extrapolé pour être maintenu sur 10 ans. La figure 9 compare les caractéristiques de rétention des FeFET avec différents ZrO₂ épaisseurs. Le 4 nm ZrO₂ l'appareil a une performance de rétention améliorée par rapport aux transistors avec 2,5 et 9 nm d'épaisseur ZrO₂ .

un L'évolution de I _DS -V _GS courbes pour les deux états de polarisation du 4 nm ZrO₂ FeFET avec différentes températures RTA. b Le 4 nm ZrO₂ le dispositif recuit à 500 °C a une bien meilleure performance de rétention par rapport aux transistors avec RTA aux températures plus basses

un L'évolution de I _DS -V _GS courbes pour les deux états de polarisation pour le ZrO₂ de 2,5, 4 et 9  nm d'épaisseur Les FeFET ont subi un RTA à 500 °C. b Le 4 nm ZrO₂ l'appareil a une performance de rétention améliorée par rapport aux transistors avec 2,5 et 9 nm d'épaisseur ZrO₂

Conclusions

En résumé, amorphe ZrO₂ des condensateurs ferroélectriques sont démontrés expérimentalement, et la ferroélectricité est supposée être due à la migration des dipôles commandés en tension formés par les lacunes d'oxygène et les charges négatives. FeFET avec 2,5 nm, 4 nm et 9 nm ZrO₂ avoir le MW au-dessus de 1 V avec des impulsions P/E de 1 μs. Les caractéristiques de fatigue et de rétention améliorées sont obtenues dans le ZrO₂ de 4 nm d'épaisseur FeFET en comparaison avec les appareils avec 2,5 nm et 9 nm ZrO₂ . Le test de rétention indique que le 4 nm ZrO₂ le transistor conserve un MW extrapolé sur 10 ans de ~ 0,46 V.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

RTA :

Recuit thermique rapide

IL :

Couche interfaciale

TaN :

Nitrure de tantale

FeFET :

Transistors ferroélectriques à effet de champ

TDMAZr :

Tétrakis (diméthylamido) zirconium

Voir :

Germanium

ZrO₂ :

Dioxyde de zirconium

ALD :

Dépôt de couche atomique

HF :

Acide fluorhydrique

BF₂ ⁺ :

Ion fluorure de bore

MW :

Fenêtre mémoire

NVM :

Mémoire non volatile

P _r :

Polarisation résiduelle

TEM :

Microscope électronique à transmission

Non :

Nickel

P _max :

Polarisation maximale

RTA :

Recuit thermique remboursé

V _plage :

Plage de tension de balayage