Comportement ferroélectrique-like stable dans l'Al₂O₃ amorphe de 3,6 nm permettant des NVFET multi-gates évolutifs

Résumé

Les dispositifs ferroélectriques traditionnels souffrent d'un manque d'évolutivité. Les films minces de HfO₂ dopés sont prometteurs pour résoudre le problème de mise à l'échelle, mais sont confrontés à un courant de fuite élevé et à des préoccupations d'uniformité dues à leur nature polycristalline. Un comportement ferroélectrique-like stable est démontré pour la première fois dans un film d'Al₂O₃ amorphe de 3,6 nm d'épaisseur. Les dispositifs en Al₂O₃ amorphe sont hautement évolutifs, ce qui permet des transistors à effet de champ non volatils (NVFET) multi-gates avec un pas de nageoire à l'échelle nanométrique. Ils possèdent également les avantages d'une température de processus faible, d'une fréquence élevée (~GHz), d'une large fenêtre de mémoire et d'une longue endurance, suggérant un grand potentiel dans les systèmes VLSI. La polarisation commutabile (P) induite par les dipôles de lacunes d'oxygène modulés par la tension est proposée.

Contexte

La mémoire à accès aléatoire ferroélectrique (FeRAM) basée sur les ferroélectriques pérovskites conventionnels (ex. PZT) a été l'une des mémoires non volatiles (NVM) commerciales, bien qu'elle ne puisse pas être mise à l'échelle et ne soit pas compatible CMOS. La ferroélectricité a été largement observée dans une variété de matériaux différents, tels que les parois aortiques porcines, les nanofils de Sb₂S₃, les films de GaFeO₃, les films de HfO₂ polycristallin dopé, les films d'hydroxyapatite nanocristalline et les films LaAlO₃-SrTiO₃. Parmi ces matériaux, les films de HfO₂ dopés ont attiré un intérêt particulier pour l'application NVM en raison de leur compatibilité avec le processus CMOS. Mais la structure polycristalline est inévitable pour générer la ferroélectricité dans le HfO₂ dopé, ce qui a apporté des obstacles pour l'application des dispositifs à surmonter : 1) elle est incompatible avec le traitement « gate-last » en ce qui concerne le budget thermique de 500 °C requis pour former les phases cristallines orthorhombiques ; 2) la consommation d'énergie est induite par le courant de fuite indésirable le long des joints de grains, qui augmente exponentiellement avec la réduction de l'épaisseur du ferroélectrique. Récemment, une étude théorique a proposé que la ferroélectricité additionnelle dans le HfO₂ poly épais (>5 nm) peut provenir de corrélations à longue portée dans l'assemblage de dipôles électriques créés par les lacunes d'oxygène. Le mécanisme de piégeage/dépiégeage de charges de défauts a été observé pour produire un comportement ferroélectrique-like dans un Al₂O₃ amorphe de 5 nm d'épaisseur pour une mémoire multi-états, qui souffre cependant d'une fréquence de piégeage/dépiégeage très faible (ex. ~500 Hz).

Dans ce travail, un comportement ferroélectrique-like stable est démontré dans un film d'Al₂O₃ amorphe de 3,6 nm d'épaisseur, où la polarisation commutabile (P) est proposée comme étant induite par les dipôles de lacunes d'oxygène modulés par la tension. Le film d'Al₂O₃ amorphe possède les avantages d'une faible température de processus et d'une fréquence de fonctionnement jusqu'à ~GHz, ce qui permet des NVFET multi-gates avec un pas de nageoire à l'échelle nanométrique. Une mémoire NVFET Al₂O₃ avec des tensions de programmation/effacement (P/E) à largeur d'impulsion de 100 ns et une endurance de plus de 10⁶ cycles P/E est démontrée. Les effets des électrodes et de l'épaisseur du film sur la P dans les condensateurs Al₂O₃ sont également étudiés. Les dispositifs non volatiles amorphes montrent un avenir prometteur dans les mémoires VLSI.

Méthodes

Les films d'Al₂O₃ amorphe ont été déposés sur des substrats Si(001), Ge(001) et TaN/Si par dépôt de couches atomiques (ALD). Le TMA et la vapeur d'H₂O ont été utilisés comme précurseurs d'Al et d'O, respectivement. Pendant le dépôt, la température du substrat a été maintenue à 300 °C. Différentes électrodes métalliques supérieures, notamment TaN/Ti, TaN et W, ont été déposées sur les surfaces d'Al₂O₃ par pulvérisation réactive. Des condensateurs avec différentes électrodes ont été fabriqués par lithographie et gravure sèche. Un recuit thermique rapide (RTA) à 350 °C pendant 30 s a été effectué. Des NVFET avec empilement de grille TaN/Al₂O₃ ont été fabriqués sur Ge(001). Après la formation de la grille, les régions source/drain (S/D) ont été implantées par BF₂⁺ avec une dose de 1 × 10¹⁵ cm⁻² et une énergie de 20 keV, et des électrodes métalliques S/D en nickel de 20 nm d'épaisseur ont ensuite été formées par procédé lift-off. La Fig. 1a et b montre les schémas du condensateur Al₂O₃ fabriqué et du NVFET canal p. Il existe une couche interfaciale (IL) entre l'électrode et le film d'Al₂O₃. La Fig. 1c et d montrent les images de microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) des empilements TaN/Al₂O₃/Ge avec différentes épaisseurs d'Al₂O₃ amorphe (tAlO) après un RTA à 350 °C.

Résultats et discussion

La Fig. 2 montre les caractéristiques P vs. V mesurées pour les condensateurs Al₂O₃ amorphe avec différents tAlO et diverses électrodes supérieures et inférieures. La fréquence de mesure est de 1 kHz. Comme montré en Fig. 2a–c, avec un tAlO fixe de 3,6 nm, le condensateur TaN/Al₂O₃/Ge atteint une P de saturation (Psat) plus élevée comparé aux dispositifs avec électrodes supérieures TaN/Ti et W. Le comportement ferroélectrique-like est fortement corrélé aux interfaces, et il est proposé que la formation d'une IL TaAlOx entre TaN et Al₂O₃ produit plus de lacunes d'oxygène, contribuant à une P de commutation plus forte, comparé aux IL TiAlOx et WAlOx. Les courbes P-V en Fig. 2d indiquent que le condensateur TaN/Al₂O₃/TaN a un Psat beaucoup plus élevé en comparaison avec TaN/Al₂O₃/Ge, ce qui est attribué au fait que les doubles IL TaAlOx fournissent une concentration plus élevée en lacunes d'oxygène. Alors que Psat est significativement plus faible que celui avec électrode inférieure Si (Fig. 2e), comparé à l'électrode Ge. Ce résultat indique que la qualité de l'interface Al₂O₃/Si est meilleure, c.-à-d. moins de lacunes d'oxygène, comparé au dispositif basé sur le substrat Ge. La Fig. 2f montre les courbes P-V d'un condensateur TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge, exhibant un Vc plus élevé et un Psat presque identique comparé à celui du dispositif avec 3,6 nm d'Al₂O₃ en Fig. 2b. On note que la raison des boucles P-V non fermées est qu'une fuite existe effectivement. Il a été rapporté que le grand décalage à un champ électrique nul se produisait toujours avec un grand champ, et disparaissait toujours progressivement avec une plage de balayage de V plus petite.

La Fig. 2g et h montrent l'évolution extraite des valeurs positives et négatives de P rémanente (Pr) et de V coercitif (Vc), respectivement, sur 10⁴ cycles de balayage pour un condensateur TaN/Al₂O₃/Ge. Aucun effet de wake-up, d'empreinte ou de fatigue n'est observé. Le Vc du dispositif est ~1,8 V, indiquant que le champ E dans le film Al₂O₃ est de 4–6 MV/cm et dans les IL peut dépasser 8 MV/cm, ce qui est suffisamment élevé pour entraîner les lacunes d'oxygène. Le Psat des dispositifs varie de 1 à 5 μC/cm², correspondant à une concentration raisonnable de lacunes d'oxygène dans la gamme 3–15×10¹² cm⁻² en supposant qu'elles ont une charge de plus deux.

Le mécanisme sous-jacent du comportement ferroélectrique-like associé aux lacunes d'oxygène dans les dispositifs Al₂O₃ est discuté. La migration des lacunes d'oxygène pilotée par la tension a été largement démontrée dans les dispositifs de mémoire à accès aléatoire résistif. La Fig. 3 montre les schémas de la P commutabile dans TaN/Al₂O₃/Ge, qui provient de la ségrégation des lacunes d'oxygène modulées par la tension et des charges négatives pour former les dipôles électriques. Il est raisonnable d'inférer que les lacunes d'oxygène mobiles proviennent principalement de la formation d'IL TaAlOx et sont localisées près de l'interface supérieure à l'état initial (Fig. 3a). La Fig. 3b et c indiquent comment les P positives et négatives sont formées, respectivement, avec la modulation des dipôles de lacunes d'oxygène et de charges négatives sous la tension appliquée. Les spectres de photoélectrons X (XPS) d'Al₂O₃/Ge et (Ti, TaN, et W)/Al₂O₃/Ge sont mesurés et montrés en Fig. 4. Pour tous les échantillons métal/Al₂O₃/Ge, il y a une IL d'oxyde métallique formée entre le métal et l'Al₂O₃, qui sont proposés comme réservoir d'ions oxygène et de lacunes, ce qui est cohérent avec la Ref. [17].

Pour caractériser la performance électrique du NVFET Al₂O₃ comme NVM, l'opération de programmation (effacement) est réalisée en appliquant des impulsions de tension positives (négatives) à la grille, pour augmenter (diminuer) sa tension de seuil (VTH). La Fig. 5a montre comment les caractéristiques de transfert en régime linéaire du NVFET Al₂O₃ se décalent par rapport à la courbe IDS-VGS initiale mesurée avec des tensions de programmation (effacement) de ±4 V avec une largeur d'impulsion de 100 ns. Ici, VTH est défini comme un VGS à 100 nA⋅W/L, et MW est défini comme le changement maximum de VTH. Le NVFET Al₂O₃ obtient un MW de 0,44 V, bien que le film d'Al₂O₃ amorphe ait un Pr plus petit que les films de HfO₂ dopés rapportés. Il est noté que la haute fréquence de fonctionnement jusqu'à 10 MHz de la mémoire NVFET Al₂O₃, ce qui indique que la P commutabile dans l'Al₂O₃ provient de la migration de lacunes d'oxygène pilotée par la tension pour former des dipôles, et non du piégeage/dépiégeage de charges de défauts. Des impulsions de programmation et d'effacement alternées ont été appliquées aux dispositifs Al₂O₃ pour étudier davantage l'endurance du dispositif. La Fig. 5b montre les graphiques de VTH vs. nombre de cycles P/E, suggérant un MW stable peut être maintenu sans dégradation significative sur plus de 10⁶ cycles P/E pour un NVFET Al₂O₃ de 3,6 nm d'épaisseur.

Notamment, le comportement ferroélectrique-like observé dans les dispositifs Al₂O₃ amorphe peut être étendu aux oxydes amorphes universels, ex. l'oxyde d'hafnium (HfO₂) et l'oxyde de zirconium (ZrO₂).

Conclusions

Un comportement ferroélectrique-like stable est réalisé pour la première fois dans des condensateurs avec un isolant Al₂O₃ amorphe mince. La P commutabile dans les condensateurs Al₂O₃ amorphe est démontrée par des boucles P-V et des tests NVFET. Le comportement ferroélectrique-like est proposé comme provenant des dipôles de lacunes d'oxygène et d'ions d'interface. Le NVFET Al₂O₃ de 3,6 nm d'épaisseur atteint un MW de 0,44 V et une endurance de plus de 10⁶ cycles sous ±4 V à condition P/E de 100 ns. Dans l'ensemble, ce travail a ouvert un nouveau monde pour les dispositifs ferroélectriques à oxydes amorphes, qui sont prometteurs pour les NVFET multi-gates (en forme de nageoire, nanofil, ou nanofeuille) avec un pas de nageoire potentiellement nano-échelle dans les systèmes VLSI.