FeFETs com Isolador Incorporando Nanocristais: Portas Ferroelétricas Ultradelgadas para Lógica de Baixa Tensão e Memória Não Volátil Robusta

Resumo

Apresentamos um novo transistor de efeito de campo ferroelétrico (FeFET) que incorpora tecnologia de isolador com nanocristais incorporados (NEI), permitindo uma pilha de porta ferroelétrica/dielétrica (FE/DE) unificada notavelmente delgada. Esta arquitetura proporciona operação de lógica de baixa tensão e uma janela de memória não volátil (NVM) superior a 1 V, mesmo com espessura total FE/DE de apenas 3,6 nm. O comportamento ferroelétrico de nanocristais de ZrO₂ ortorrômbico dispersos em matriz amorfa de Al₂O₃ é confirmado através de histerese polarização-tensão, microscopia de força piezorresposta e caracterização elétrica. Também examinamos a dependência de temperatura e endurance do NCFET baseado em NEI, demonstrando operação estável em ampla faixa de temperatura e endurance robusto acima de 1.000 ciclos DC.

Introdução

FeFETs emergiram como candidatos promissores para circuitos integrados de próxima geração devido ao seu efeito de capacitância negativa (NC) inerente, que permite swing subthreshold (SS) sub-60 mV/década e tensões de alimentação mais baixas. Progressos recentes focaram em HfO₂ dopado, oferecendo boa compatibilidade CMOS e escalabilidade de espessura. No entanto, a escala adicional da camada ferroelétrica é limitada por correntes de vazamento, que restringem projetos FinFET. Inspirados por conceitos MOS de nanocristais, incorporamos nanocristais ferroelétricos dentro de um dielétrico de alta lacuna de banda para formar o FeFET NEI. Este design atinge uma pilha FE/DE ultradelgada que atende a rigorosos requisitos de vazamento enquanto preserva forte acoplamento ferroelétrico.

Neste trabalho, relatamos FeFETs NEI, detalhamos as propriedades físicas das camadas NEI em várias espessuras e avaliamos seu desempenho elétrico para aplicações de lógica de baixa tensão e NVM.

Métodos

A sequência de fabricação começa com wafers de Ge(001) tipo-n de quatro polegadas (0,088-0,14 Ω cm). Após limpeza com HF, os wafers são transferidos para câmara ALD onde nanocristais de ZrO₂ são incorporados em matriz amorfa de Al₂O₃, formando a camada NEI. Filmes NEI de 2,1 nm e 3,6 nm de espessura são produzidos. Portas TaN são depositadas por sputtering reativo, seguidas por padronização de porta, implantação de fonte/dreno (BF₂⁺, 20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), deposição de contatos Ni e recozimento térmico rápido (RTA) final. MOSFETs de referência com portas de Al₂O₃ puro também são fabricados para comparação.

A Figura 1b mostra a seção transversal do dispositivo: os nanocristais ferroelétricos são totalmente encapsulados dentro do dielétrico, fornecendo tanto alta permissividade (κ) quanto grande campo coercitivo (E_c). A pequena fração de volume de ZrO₂ (< 0,5 %) é suficiente para induzir ferroeletricidade mantendo vazamento baixo.

TEM de alta resolução (HRTEM) confirma nanocristais de ZrO₂ ortorrômbico (111) com espaçamento interplanar de 0,173 nm. Medidas de polarização-tensão (P-V) e microscopia de força piezorresposta (PFM) revelam comutação ferroelétrica, com polarização remanescente (P_r) aumentando com espessura do filme e degradando acima de 550 °C devido a relaxação térmica.

Resultados e Discussão

Desempenho NCFET NEI

A Figura 7a apresenta as características I_DS-V_GS de NCFETs NEI de 3,6 nm recozidos a 450 °C e 500 °C. Ambos dispositivos exibem histerese mínima, confirmando capacitância ferroelétrica e MOS bem casadas. Os loops I-V no sentido horário confirmam o efeito de capacitância negativa em vez de aprisionamento de carga. Vazamento de porta permanece baixo, indicando que os nanocristais incorporados não introduzem caminhos adicionais de vazamento.

Comparando um NCFET NEI de 3,6 nm com MOSFET de referência de espessura idêntica do isolador de porta (2,1 nm), o NCFET demonstra SS mais agudo e 16 % maior I_DS a V_DS = 1 V. O efeito NDR é mais pronunciado no dispositivo mais espesso de 3,6 nm, consistente com acoplamento ferroelétrico mais forte.

Testes dependentes de temperatura (10 °C-30 °C) revelam que o SS do NCFET permanece inalterado, enquanto a curva I_DS-V_GS desloca-se para tensões de porta mais negativas com temperatura crescente — uma assinatura de atividade ferroelétrica aumentada. V_GS direta também move-se negativamente com temperatura, provavelmente refletindo aumento em E_c.

FeFET NEI como Memória Não Volátil

Estender o intervalo de varredura V_GS aumenta a janela de memória (MW). Um FeFET NEI de 3,6 nm entrega MW de 1,14 V ao varrer entre +1 V e -2 V, uma melhoria substancial sobre a janela de 0,2 V em varredura ±0,1 V. Testes de endurance sobre 1.000 ciclos DC mostram janela de histerese estável de ~0,65 V, sublinhando a confiabilidade da camada ferroelétrica.

Benchmarking contra FeFETs publicados (MW vs. espessura FE) demonstra que o dispositivo NEI atinge janela >1 V com a camada ferroelétrica mais fina relatada (3,6 nm). Este desempenho superior provavelmente surge da fase ortorrômbica estável nos nanocristais, que permanece robusta em espessuras reduzidas.

Finalmente, a arquitetura NEI oferece ajustabilidade: P_r pode ser ajustado variando o volume do nanocristal, enquanto κ pode ser aumentado incorporando elementos de alto-κ na matriz amorfa (ex: LaAlO₃). Comparado com HfO₂ dopado, NEI atinge campos coercitivos comparáveis com polarização remanescente marcadamente menor, mitigando perdas de despolarização e melhorando retenção.

Conclusões

Demonstramos que incorporar nanocristais de ZrO₂ sub-nanômetro dentro de matriz amorfa de Al₂O₃ produz uma pilha de porta ferroelétrica que suporta tanto lógica de capacitância negativa quanto memória não volátil estável. O FeFET NEI de 3,6 nm entrega janela de memória superior a 1 V e mantém comportamento NC robusto em ampla faixa de temperatura. A escalabilidade da arquitetura e baixo vazamento a tornam um caminho promissor para FinFETs totalmente compatíveis CMOS com camadas ferroelétricas ultradelgadas.