Amélioration de la fenêtre de mémoire et de l'endurance des FeFET Hf0.5Zr0.5O2 par couches d'amorçage ZrO2 : caractérisation par impulsions rapides

Résumé

Les transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFET) à base de HfO₂ avec une structure de grille métal/ferroélectrique/isolant/semiconducteur (MFIS) émergent comme de solides candidats pour les mémoires non volatiles à haute densité et haute vitesse. Bien que leurs performances de rétention répondent aux exigences industrielles, la fenêtre de mémoire (MW) et l'endurance restent inférieures aux exigences strictes pour un déploiement à grande échelle. Dans cette étude, nous examinons l'effet d'une couche d'amorçage cristalline de ZrO₂ sur la MW, la rétention et l'endurance des FeFET Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO), en utilisant des mesures par impulsions de tension rapides. Le FeFET HZO incorporant la couche d'amorçage ZrO₂ montre une MW initiale plus grande de 1,4 V, une MW extrapolée à 10 ans de 0,9 V, et une endurance nettement améliorée (excédant 10⁴ cycles de commutation) par rapport aux dispositifs sans couche d'amorçage. Ces résultats confirment qu'une structure de grille haute-k/Si directement cristalline peut encore améliorer les performances et la fiabilité des FeFET à base de HfO₂.

Contexte

Les couches minces ferroélectriques dérivées du HfO₂ ont suscité un intérêt significatif pour les structures de grille FeFET en raison de leur compatibilité avec les procédés CMOS et de leur excellente évolutivité. Parmi les nombreuses architectures de grille, la structure MFIS est particulièrement attractive car elle s'aligne avec les conceptions de dispositifs MOS actuels et peut être intégrée avec les technologies haute-k/metal-gate (HKMG). Par conséquent, les FeFET MFIS ont été explorés pour les mémoires non volatiles embarquées, les FET à capacité négative, les dispositifs neuromorphiques et les circuits logiques-en-mémoire [1–8].

Les FeFET MFIS de pointe fabriqués par procédés HKMG ont démontré une haute densité d'intégration et des vitesses d'écriture rapides [9,10]. Cependant, pour les applications de mémoire non volatile, une grande MW et une rétention et une endurance robustes sont essentielles [11–14]. Les FeFET à base de HfO₂ offrent généralement une rétention fiable (extrapolation à 10 ans) [15–17], mais leur endurance varie de 10⁴ à 10⁷ cycles de commutation [17–23]. Des études théoriques suggèrent qu'un isolant haute-k peut réduire le champ électrique à travers la pile MFIS, atténuant ainsi la courbure de bande et améliorant à la fois la MW et l'endurance [12,14]. Expérimentalement, l'augmentation de la constante diélectrique de la couche isolante ultramince (par exemple, remplacement de SiO₂ par SiON) a montré qu'elle améliorait l'endurance et la MW [13]. Des travaux antérieurs ont également indiqué que l'insertion d'une couche de ZrO₂ cristalline améliore la qualité cristalline des films HZO et supprime la phase monoclinique délétère, résultant en une MW de 2,8 V mesurée par balayage DC [24].

Ici, nous présentons une étude systématique de la MW, de la rétention et de l'endurance des FeFET HZO avec et sans couche d'amorçage cristalline ZrO₂, caractérisées par des impulsions de tension positives et rapides. Nous discutons de l'influence de la couche d'amorçage sur les propriétés ferroélectriques, la fiabilité électrique et les performances globales du dispositif.

Méthodes

Les deux FeFET à canal n — avec et sans couche d'amorçage ZrO₂ — ont été fabriqués par un procédé grille-finale comme détaillé dans la Ref. [24]. La couche d'amorçage ZrO₂ et les couches HZO ont été déposées à 300 °C par dépôt de couches atomiques (ALD). La géométrie du dispositif est montrée en Fig. 1a, avec une largeur de canal W = 80 µm et une longueur L = 7 µm. En outre, des condensateurs TaN/HZO/TaN et TaN/HZO/ZrO₂/TaN ont été fabriqués pour évaluer les propriétés ferroélectriques des films HZO. Les boucles d'hystérésis polarisation-tension (P-V) ont été mesurées à l'aide d'un testeur ferroélectrique Radiant Technologies RT66A, tandis que les caractéristiques FeFET étaient enregistrées avec un analyseur Agilent B1500A équipé d'un générateur d'impulsions (B1525A) [20].

Deux séquences de test principales étaient employées (Fig. 1b,c). Pour les études de MW et de rétention, des impulsions de programmation/effacement (P/E) étaient d'abord appliquées aux grilles des FeFET, suivies d'opérations de lecture à divers intervalles de temps en utilisant des balayages I_D–V_G (V_D = 0,1 V). La tension de seuil V_TH était extraite à un courant de drain de 10⁻⁷ A·W/L [25], et la MW était définie comme la différence de V_TH entre les états programmé et effacé. L'endurance était évaluée en mesurant la MW après un nombre spécifié d'impulsions P/E alternées.

Résultats et discussion

La figure 2a montre les boucles d'hystérésis P-V des condensateurs TaN/HZO/TaN et TaN/HZO/ZrO₂/TaN. L'inclusion de la couche d'amorçage cristalline ZrO₂ améliore nettement la réponse ferroélectrique, cohérente avec les rapports antérieurs [26], et confirme que la couche d'amorçage améliore la cristallinité du film HZO et supprime la phase monoclinique [24].

Dans les FeFET, les caractéristiques I_D–V_G dans le sens anti-horaire confirment que la MW provient de la commutation de polarisation ferroélectrique plutôt que du piégeage de charges. Le FeFET avec la couche d'amorçage ZrO₂ atteint une MW de 1,4 V — près de 1,8 fois plus grande que les 0,8 V observés dans le dispositif sans couche d'amorçage — et correspond aux meilleures valeurs rapportées à ce jour [9,11,14,17,21–23,27].

La performance de rétention a été évaluée en mesurant V_TH après des impulsions de programmation et d'effacement à température ambiante (Fig. 3). Les deux dispositifs présentent une tendance V_TH approximativement linéaire versus log(temps). L'extrapolation à 10 ans donne une MW de 0,9 V pour le dispositif à couche d'amorçage, contre 0,6 V pour le dispositif sans couche. Le CET plus grand de la pile ZrO₂/SiO₂ (1,5 nm/2,6 nm) augmente le champ de dépolarisation, suggérant que des gains de rétention supplémentaires pourraient être obtenus en amincissant la couche SiO₂.

La figure 4 trace l'évolution des courbes I_D–V_G sous des cycles P/E alternés de ±7 V/100 ns. Le dispositif sans couche d'amorçage montre un décalage significatif et une dégradation de pente dès les premiers cycles, l'état effacé subissant une perte de pente plus importante. En revanche, le dispositif à couche d'amorçage n'exhibe qu'un décalage positif mineur dans l'état effacé — attribuable à l'effet de réveil [13,28–32] — et un décalage négligeable dans l'état programmé jusqu'à 1×10³ cycles. Les deux états affichent également seulement une légère dégradation de pente, indiquant une génération réduite de pièges d'interface.

La densité de pièges d'interface (ΔN_it) a été déduite du changement de pente de sous-seuil en utilisant ΔSS = (ΔN_it kT ln 10)/(C_FI ϕ_F) [34,35]. Comme montré en Fig. 5, ΔN_it augmente fortement dans le dispositif sans couche d'amorçage dès les premiers cycles et est nettement plus élevée dans l'état effacé. Inversement, le dispositif à couche d'amorçage montre presque aucun changement de ΔN_it jusqu'à 1×10³ cycles et des valeurs constamment plus basses que le dispositif sans couche. Le champ électrique réduit à travers la pile de grille, dû à la couche d'amorçage haute-k, diminue la courbure de bande et supprime la génération de pièges d'interface [12,14].

Les courants de fuite de grille (I_G–V_G) reflètent également l'impact de la couche d'amorçage (Fig. 6). Le dispositif sans couche d'amorçage subit une hausse dramatique de la fuite dès les premiers cycles, tandis que le dispositif à couche d'amorçage montre un changement négligeable jusqu'à 5×10² cycles et maintient une fuite plus faible tout au long. Puisque les pièges d'interface peuvent augmenter la fuite, la suppression de leur génération dans le dispositif à couche d'amorçage explique la stabilité observée.

Enfin, les valeurs V_TH extraites des courbes I_D–V_G sur les cycles P/E (Fig. 7) révèlent que le dispositif à couche d'amorçage maintient constamment une MW plus grande que le dispositif sans couche. Alors que la MW du dispositif sans couche se dégrade rapidement, la MW du dispositif à couche d'amorçage ne diminue que légèrement jusqu'à 1×10³ cycles et reste au-dessus de 0,9 V même après 1×10⁴ cycles — environ 2,3 fois la MW de 0,4 V du dispositif sans couche. Le champ électrique réduit requis pour atteindre les états de polarisation saturée sous-tend probablement cet avantage d'endurance.

Conclusions

Les mesures par impulsions rapides sur les FeFET HZO avec piles de grille MFIS TaN/HZO/SiO₂/Si et TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si démontrent qu'une couche d'amorçage cristalline ZrO₂ augmente significativement la fenêtre de mémoire et l'endurance. Le dispositif à couche d'amorçage atteint une MW initiale de 1,4 V, une MW extrapolée à 10 ans de 0,9 V, et maintient une MW au-dessus de 0,9 V après 10⁴ cycles P/E — surpassant substantiellement le dispositif sans couche. Les améliorations découlent de la cristallinité améliorée de la couche HZO et de la génération réduite de pièges d'interface due au champ électrique abaissé à travers la pile de grille. Ces résultats suggèrent qu'intégrer une pile de grille haute-k/Si directement cristalline élèvera davantage la MW et la fiabilité des FeFET à base de HfO₂, ouvrant la voie à leur adoption dans les technologies de mémoire et logiques-en-mémoire de prochaine génération.