Melhoria da Janela de Memória e Endurance de FeFETs Hf0.5Zr0.5O2 com Camadas Semente de ZrO2: Caracterização por Pulsos Rápidos

Resumo

Transistores de efeito de campo ferroelétricos (FeFETs) baseados em HfO₂ com pilha de porta metal/ferroelétrico/isolador/semicondutor (MFIS) são candidatos fortes para memórias não voláteis de alta densidade e alta velocidade. Embora seu desempenho de retenção atenda às demandas industriais, a janela de memória (MW) e a endurance ainda ficam aquém dos requisitos rigorosos para implantação em larga escala. Neste estudo, examinamos o efeito de uma camada semente cristalina de ZrO₂ na MW, retenção e endurance de FeFETs Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO), usando medições de pulsos de tensão rápidos. O FeFET HZO incorporando a camada semente de ZrO₂ mostra uma MW inicial maior de 1,4 V, uma MW extrapolada para 10 anos de 0,9 V e endurance marcadamente melhorada (excedendo 10⁴ ciclos de comutação) comparado a dispositivos sem a camada semente. Estes achados confirmam que uma pilha de porta direta cristalina high-k/Si pode melhorar ainda mais o desempenho e a confiabilidade de FeFETs baseados em HfO₂.

Fundamentação

Filmes finos ferroelétricos derivados de HfO₂ atraíram interesse significativo para pilhas de porta FeFET devido à sua compatibilidade com processos CMOS e excelente escalabilidade. Entre as muitas arquiteturas de pilha de porta, a estrutura MFIS é particularmente atraente porque alinha-se com designs atuais de dispositivos MOS e pode ser integrada com tecnologias high-k metal-gate (HKMG). Consequentemente, FeFETs MFIS têm sido explorados para memórias não voláteis embarcadas, FETs de capacitância negativa, dispositivos neuromórficos e circuitos lógica-em-memória [1–8].

FeFETs MFIS de ponta fabricados usando processos HKMG demonstraram alta densidade de integração e velocidades de escrita rápidas [9,10]. No entanto, para aplicações de memória não volátil, uma grande MW e robusta retenção e endurance são essenciais [11–14]. FeFETs baseados em HfO₂ tipicamente oferecem retenção confiável (extrapolação de 10 anos) [15–17], mas sua endurance varia de 10⁴ a 10⁷ ciclos de comutação [17–23]. Estudos teóricos sugerem que um isolador high-k pode reduzir o campo elétrico através da pilha MFIS, mitigando curvatura de banda e melhorando tanto MW quanto endurance [12,14]. Experimentalmente, aumentar a constante dielétrica da camada isolante ultrafina (ex: substituir SiO₂ por SiON) demonstrou melhorar endurance e MW [13]. Trabalhos prévios também indicaram que a inserção de uma camada cristalina de ZrO₂ melhora a qualidade cristalina de filmes HZO e suprime a fase monoclínica deletéria, resultando em MW de 2,8 V medida por varredura DC [24].

Aqui apresentamos um estudo sistemático da MW, retenção e endurance de FeFETs HZO com e sem camada semente cristalina de ZrO₂, caracterizados por pulsos de tensão positivos e negativos rápidos. Discutimos como a camada semente influencia as propriedades ferroelétricas, confiabilidade elétrica e desempenho geral do dispositivo.

Métodos

Ambos FeFETs de canal n — com e sem camada semente de ZrO₂ — foram fabricados usando processo gate-last conforme detalhado na Ref. [24]. A camada semente de ZrO₂ e as camadas HZO foram depositadas a 300 °C por deposição atômica (ALD). Geometria do dispositivo é mostrada na Fig. 1a, com largura de canal W = 80 µm e comprimento L = 7 µm. Além disso, capacitores TaN/HZO/TaN e TaN/HZO/ZrO₂/TaN foram fabricados para avaliar propriedades ferroelétricas dos filmes HZO. Laços de histerese polarização-tensão (P-V) foram medidos usando testador ferroelétrico Radiant Technologies RT66A, enquanto características de FeFET foram registradas com analisador Agilent B1500A equipado com gerador de pulsos (B1525A) [20].

Duas sequências principais de teste foram empregadas (Fig. 1b,c). Para estudos de MW e retenção, pulsos de programação/apagamento (P/E) foram primeiro aplicados às portas dos FeFETs, seguidos de operações de leitura em vários intervalos de tempo usando varreduras I_D–V_G (V_D = 0,1 V). A tensão de limiar V_TH foi extraída a uma corrente de dreno de 10⁻⁷ A·W/L [25], e a MW foi definida como a diferença em V_TH entre estados programado e apagado. Endurance foi avaliada medindo a MW após um número especificado de pulsos P/E alternados.

Resultados e Discussão

A Figura 2a mostra os laços de histerese P-V dos capacitores TaN/HZO/TaN e TaN/HZO/ZrO₂/TaN. A inclusão da camada semente cristalina de ZrO₂ melhora marcadamente a resposta ferroelétrica, consistente com relatos prévios [26], e confirma que a camada semente melhora a cristalinidade do filme HZO e suprime a fase monoclínica [24].

Nos FeFETs, características I_D–V_G no sentido anti-horário confirmam que a MW origina-se da comutação de polarização ferroelétrica e não de armadilha de carga. O FeFET com camada semente de ZrO₂ atinge MW de 1,4 V — quase 1,8 vezes maior que os 0,8 V observados no dispositivo sem semente — e iguala os melhores valores relatados até o momento [9,11,14,17,21–23,27].

Desempenho de retenção foi avaliado medindo V_TH após pulsos de programação e apagamento à temperatura ambiente (Fig. 3). Ambos dispositivos exibem tendência aproximadamente linear de V_TH versus log(tempo). Extrapolação para 10 anos resulta em MW de 0,9 V para o dispositivo com camada semente, comparado a 0,6 V para o dispositivo sem semente. O maior CET da pilha ZrO₂/SiO₂ (1,5 nm/2,6 nm) aumenta o campo de despolarização, sugerindo que ganhos adicionais de retenção poderiam ser alcançados afinando a camada SiO₂.

A Figura 4 traça a evolução das curvas I_D–V_G sob ciclos P/E alternados de ±7 V/100 ns. O dispositivo sem semente mostra deslocamento significativo e degradação de inclinação desde ciclos iniciais, com o estado apagado sofrendo maior perda de inclinação. Em contraste, o dispositivo com camada semente exibe apenas pequeno deslocamento positivo no estado apagado — atribuível ao efeito wake-up [13,28–32] — e deslocamento desprezível no estado programado até 1×10³ ciclos. Ambos estados também mostram apenas leve degradação de inclinação, indicando geração reduzida de armadilhas de interface.

Densidade de armadilhas de interface (ΔN_it) foi derivada da mudança no swing subthreshold usando ΔSS = (ΔN_it kT ln 10)/(C_FI ϕ_F) [34,35]. Conforme mostrado na Fig. 5, ΔN_it aumenta abruptamente no dispositivo sem semente desde os primeiros ciclos e é marcadamente maior no estado apagado. Inversamente, o dispositivo com camada semente mostra quase nenhuma mudança em ΔN_it até 1×10³ ciclos e valores consistentemente menores que o dispositivo sem semente. O campo elétrico reduzido através da pilha de porta, devido à camada semente high-k, diminui a curvatura de banda e suprime a geração de armadilhas de interface [12,14].

Correntes de fuga de porta (I_G–V_G) também refletem o impacto da camada semente (Fig. 6). O dispositivo sem semente experimenta aumento dramático de fuga desde os primeiros ciclos, enquanto o dispositivo com camada semente mostra mudança desprezível até 5×10² ciclos e mantém fuga menor ao longo de todo o processo. Como armadilhas de interface podem aumentar a fuga, a supressão da geração de armadilhas no dispositivo com camada semente explica a estabilidade observada.

Finalmente, valores V_TH extraídos das curvas I_D–V_G sobre ciclos P/E (Fig. 7) revelam que o dispositivo com camada semente mantém consistentemente MW maior que o dispositivo sem semente. Enquanto a MW do dispositivo sem semente degrada rapidamente, a MW do dispositivo com semente declina apenas levemente até 1×10³ ciclos e permanece acima de 0,9 V mesmo após 1×10⁴ ciclos — aproximadamente 2,3 vezes a MW de 0,4 V do dispositivo sem semente. O campo elétrico reduzido necessário para atingir estados de polarização saturados provavelmente fundamenta esta vantagem de endurance.

Conclusões

Medidas de pulsos rápidos em FeFETs HZO com pilhas de porta MFIS TaN/HZO/SiO₂/Si e TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si demonstram que uma camada semente cristalina de ZrO₂ aumenta significativamente a janela de memória e a endurance. O dispositivo com camada semente atinge MW inicial de 1,4 V, MW extrapolada para 10 anos de 0,9 V, e sustenta MW acima de 0,9 V após 10⁴ ciclos P/E — superando substancialmente o dispositivo sem semente. As melhorias decorrem da cristalinidade aprimorada da camada HZO e redução da geração de armadilhas de interface devido ao campo elétrico menor através da pilha de porta. Estes resultados sugerem que integrar uma pilha de porta direta cristalina high-k/Si elevará ainda mais a MW e a confiabilidade de FeFETs baseados em HfO₂, pavimentando o caminho para sua adoção em memórias de próxima geração e tecnologias lógica-em-memória.