Exploitation de dipôles de lacunes d'oxygène commutables pour des transistors à effet de champ ferroélectriques ZrO₂ robustes

Résumé

Cet article étudie les impacts du recuit thermique rapide (RTA) postérieur et de l'épaisseur du ZrO₂ sur la polarisation P et les caractéristiques électriques des condensateurs TaN/ZrO₂/Ge et des FeFETs, respectivement. Après RTA variant de 350 à 500 °C, les condensateurs TaN/ZrO₂/Ge avec des films amorphes de ZrO₂ de 2,5 et 4 nm d'épaisseur présentent une P stable. Il est proposé que le comportement ferroélectrique provienne de la migration de dipôles pilotés par la tension formés par les lacunes d'oxygène et les charges négatives. Les FeFETs avec du ZrO₂ de 2,5 nm, 4 nm et 9 nm démontrent une fenêtre de mémoire (MW) décente avec des impulsions de programmation/effacement de 100 ns. Un FeFET avec du ZrO₂ de 4 nm d'épaisseur a des caractéristiques de fatigue et de rétention significativement améliorées comparées aux dispositifs avec du ZrO₂ de 2,5 nm et 9 nm. La performance de rétention du FeFET ZrO₂ peut être améliorée avec l'augmentation de la température de RTA. Une MW de ~ 0,46 V est extrapolée pour être maintenue sur 10 ans pour le dispositif avec 4 nm de ZrO₂.

Contexte

Les transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFETs) à base de HfO₂ poly-dopé ont attiré un intérêt considérable dans les applications de mémoire non volatile (NVM) en raison de leur compatibilité avec le procédé CMOS. Bien que des performances électriques décentes aient été démontrées dans les FeFETs à base de HfO₂ dopé, certaines limitations fondamentales entravent encore leurs applications pratiques, notamment le budget thermique élevé de 500 °C de recuit requis pour former les phases cristallines orthorhombiques et le courant de fuite indésirable le long des joints de grains avec la réduction de l'épaisseur du ferroélectrique. La ferroélectricité a été largement observée dans une variété de matériaux différents, par exemple nanofils de Sb₂S₃, film de GaFeO₃, film LaAlO₃-SrTiO₃, et Al₂O₃ amorphe contenant des nanocristaux. Récemment, nous avons rapporté des FeFETs avec un isolant de grille en ZrO₂ partiellement cristallisé fonctionnant comme NVM et synapse analogique. Bien que les transistors ZrO₂ aient présenté une performance électrique décente avec une épaisseur plus fine comparée au HfO₂ dopé rapporté, le mécanisme sous-jacent de la ferroélectricité dans le film de ZrO₂ reste flou. Il est critique et important d'élucider l'origine de la polarisation commutable P pour évaluer la limite de performance des FeFETs ZrO₂.

Dans ce travail, des FeFETs TaN/ZrO₂/Ge avec des isolants de 2,5 nm, 4 nm et 9 nm d'épaisseur sont fabriqués. La P commutable dans le condensateur TaN/ZrO₂/Ge est proposée comme provenant de la migration de lacunes d'oxygène pilotées par la tension et de charges négatives. Les impacts de l'épaisseur du ZrO₂ et du recuit thermique rapide (RTA) postérieur sur la P des condensateurs TaN/ZrO₂/Ge et sur la fenêtre de mémoire (MW), l'endurance et les caractéristiques de rétention des FeFETs sont investigués.

Méthodes

Les FeFETs avec isolant de grille en ZrO₂ ont été fabriqués sur un substrat n-Ge(001) de 4 pouces en utilisant un procédé similaire à [8, 9]. Après le nettoyage pré-grille dans une solution HF diluée (1:50), les wafers Ge ont été chargés dans une chambre de dépôt par couches atomiques (ALD). Des films de ZrO₂ d'épaisseurs 2,5 nm, 4 nm et 9 nm ont été déposés à 250 °C en utilisant TDMAZr et H₂O comme précurseurs de Zr et O respectivement. Une électrode de grille TaN de 100 nm d'épaisseur a été déposée par pulvérisation réactive. Après la formation de l'électrode de grille, les régions source/drain (S/D) ont été implantées par BF₂⁺ à une dose de 1 × 10¹⁵ cm⁻² et une énergie de 20 keV. Des contacts S/D en nickel (Ni) de 15 nm d'épaisseur ont été formés par un procédé lift-off. Finalement, un RTA à 350, 450 et 500 °C pendant 30 s a été effectué.

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

Résultats et Discussion

La Figure 2 montre les courbes P vs tension (V) pour les condensateurs TaN/ZrO₂/Ge avec différentes épaisseurs de ZrO₂ et différentes températures de recuit. Les lignes pleines de différentes couleurs représentent les boucles mineures avec diverses plages de tension de balayage (V_range). La fréquence de mesure est de 1 kHz. Les dispositifs de 2,5 nm et 4 nm de ZrO₂ peuvent présenter une ferroélectricité stable après un RTA à 350 °C. La Figure 3 trace le P résiduel (P_r) en fonction des courbes de plage de balayage V pour les condensateurs recuits à diverses températures.

La Figure 3 montre la comparaison de P_max en fonction de V_range pour les condensateurs TaN/ZrO₂/Ge avec différentes épaisseurs de ZrO₂ et diverses températures de RTA. Pour les dispositifs de 4 nm ZrO₂, à mesure que la température de recuit augmente de 350 à 450 °C, une V_range plus grande est requise pour obtenir un P_max fixé. Cela est attribué au fait que la température de recuit plus élevée produit des couches interfaciales (IL) plus épaisses entre les interfaces Ge/ZrO₂ et ZrO₂/TaN, conduisant à une épaisseur équivalente de capacitance unifiée (CET) plus grande. Pour les condensateurs de 2,5 nm ZrO₂, l'échantillon avec recuit à 500 °C a une V_range plus faible que l'échantillon recuit à 350 °C avec le même P_max. Bien que les IL s'épaississent avec l'augmentation de la température de RTA, une partie du ZrO₂ a été consommée par le piégeage d'oxygène et l'interdiffusion à l'interface. Pour le dispositif à ZrO₂ très fin, ce dernier effet est dominant. Comparé au condensateur de 2,5 nm ZrO₂, une V_range bien plus grande est requise pour atteindre un P_max similaire. Cependant, le condensateur de 9 nm ZrO₂ n'exhibe pas de V_range plus grande en comparaison avec le dispositif de 4 nm. Cela est dû au ZrO₂ cristallin qui a une valeur de κ bien plus élevée que le film amorphe, ce qui réduit significativement la CET du dispositif de 9 nm.

La Figure 4a montre l'évolution extraite du P_r positif et négatif, notés P_r⁺ et P_r⁻ respectivement, pour les condensateurs de 4 nm ZrO₂ avec RTA à différentes températures sur 10⁶ cycles de balayage mesurés à 1 kHz. Les dispositifs recuits à 350 °C et 450 °C présentent un effet de réveil évident. Aucun réveil ni empreinte n'est observé pour le condensateur ferroélectrique de 4 nm ZrO₂ ayant subi un recuit à 500 °C. La Figure 4b compare le P_r en fonction des cycles de balayage pour les dispositifs avec différentes épaisseurs de ZrO₂. Le condensateur ferroélectrique de 4 nm ZrO₂ atteint une stabilité améliorée de l'endurance du P_r comparé aux dispositifs de 2,5 nm et 9 nm pendant le test d'endurance de 10⁶ cycles.

La commutation P est observée dans la capacitance de ZrO₂ amorphe, et il est déduit que le mécanisme doit être différent de celui des films ferroélectriques de HfO₂ poly-dopé rapportés. Nous proposons que le mécanisme sous-jacent du comportement ferroélectrique est lié aux dipôles de lacunes d'oxygène. Il est bien connu que, lors du dépôt du métal TaN, les couches pièges d'oxygène de Ta augmenteront la concentration de lacunes d'oxygène à l'intérieur du ZrO₂. Des lacunes d'oxygène apparaissent aussi à l'interface ZrO₂/Ge. La Figure 5 montre les schémas de la P commutable dans TaN/ZrO₂/Ge provenant de la migration de lacunes d'oxygène et de charges négatives pour former des dipôles positifs et négatifs. Il est spéculé que les charges négatives dans le ZrO₂ sont liées à la lacune de Zr, ce qui est similaire à celles dans le film d'Al₂O₃. La migration des lacunes d'oxygène pilotées par la tension a été largement démontrée dans les dispositifs de mémoire à accès aléatoire résistif. Notamment, c'est la première démonstration de transistors non-volatiles à trois bornes dominés par les lacunes d'oxygène pilotées par la tension.

L'hystérésis P-V permet aux FeFETs ZrO₂ d'obtenir une MW grande et stable pour les applications de NVM embarqué (eNVM). La Figure 6 montre les courbes I_DS-V_GS mesurées des FeFETs ZrO₂ de 2,5, 4 et 9 nm 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 programmation (effacement) est réalisée en appliquant des impulsions de tension positive (négative) à la grille des FeFETs ZrO₂, pour augmenter (diminuer) sa tension de seuil (V_TH). V_TH est défini comme V_GS à 100 nA·W/L, et MW est défini comme le changement maximum de V_TH. Tous les FeFETs avec diverses épaisseurs de ZrO₂ ont une MW supérieure à 1 V avec des impulsions P/E de 1 µs. Pour atteindre une MW similaire, une tension d'effacement plus élevée est nécessaire pour le FeFET de 9 nm ZrO₂ comparé aux deux autres transistors. On voit qu'une magnitude plus grande de V_GS d'effacement négatif est requise pour obtenir un décalage à peu près égal de I-V par rapport à la courbe initiale comparé au V_GS de programmation positif. Il est spéculé que les lacunes d'oxygène contribuant à la P proviennent principalement de la réaction entre TaN et ZrO₂, comme l'état initial du dispositif en Figure 5a. Lorsqu'un V_GS positif (programmation) est appliqué, les lacunes d'oxygène diffusent et s'accumulent dans la couche près de l'interface ZrO₂/Ge (Figure 5b), où la distribution des dipôles de lacunes d'oxygène est assez différente de l'état initial. Il est donc facile de décaler la courbe I-V vers un |V_TH| plus élevé avec un V_GS positif. Cependant, lorsqu'un V_GS négatif (effacement) est appliqué, la contre-diffusion des lacunes d'oxygène ramène la pile de grille à son état original (Figure 5c). Donc la magnitude du V_GS d'effacement négatif doit être augmentée pour atteindre le décalage équivalent de I-V par rapport au V_GS de programmation positif.

Alors que la largeur d'impulsion P/E est réduite à 100 ns, les FeFETs ZrO₂ démontrent encore une MW décente, comme montré en Figure 7a. Surtout, le transistor avec 2,5 nm ZrO₂ recuit à 350 °C atteint une MW de 0,28 V. La Figure 7b trace MW vs numéro de cycle pour les FeFETs avec diverses épaisseurs de ZrO₂ avec condition d'impulsion P/E de 100 ns. Le dispositif de 4 nm ZrO₂ atteint une performance d'endurance significativement améliorée comparé aux FeFETs de 2,5 nm et 9 nm ZrO₂, qui présentent un effet de réveil évident et une fatigue dans les 10³ cycles.

Finalement, le test de rétention des FeFETs ZrO₂ est caractérisé et montré en Figures 8 et 9. La Figure 8a montre l'évolution des courbes I_DS-V_GS pour les deux états de polarisation des FeFETs de 4 nm ZrO₂ ayant subi un RTA à 350, 450 et 500 °C. Le piégeage de charges conduit à la réduction des dispositifs avec le temps. Comme montré en Figure 8b, la performance de rétention des dispositifs peut être améliorée avec l'augmentation de la température de RTA. Une MW de ~ 0,46 V est extrapolée pour être maintenue sur 10 ans. La Figure 9 compare les caractéristiques de rétention des FeFETs avec différentes épaisseurs de ZrO₂. Le dispositif de 4 nm ZrO₂ a une performance de rétention améliorée comparée aux transistors avec 2,5 et 9 nm d'épaisseur de ZrO₂.

Conclusions

En résumé, des condensateurs ferroélectriques en ZrO₂ amorphe sont expérimentalement démontrés, et la ferroélectricité est spéculée comme due à la migration de dipôles pilotés par la tension formés par les lacunes d'oxygène et les charges négatives. Les FeFETs avec 2,5 nm, 4 nm et 9 nm de ZrO₂ ont une MW supérieure à 1 V avec des impulsions P/E de 1 µs. Les caractéristiques de fatigue et de rétention améliorées sont obtenues dans le FeFET avec 4 nm d'épaisseur de ZrO₂ en comparaison avec les dispositifs avec 2,5 nm et 9 nm de ZrO₂. Le test de rétention indique que le transistor de 4 nm ZrO₂ maintient une MW extrapolée à 10 ans de ~ 0,46 V.