Comportamento Ferroelétrico-Like Estável em Al₂O₃ Amorfo de 3,6 nm Permite NVFETs Multi-Porta Escaláveis

Resumo

Dispositivos ferroelétricos tradicionais sofrem com falta de escalabilidade. Filmes finos de HfO₂ dopado são promissores para resolver o problema de escala, mas desafiados por alta corrente de vazamento e preocupações de uniformidade devido à natureza policristalina. Pela primeira vez, demonstra-se comportamento ferroelétrico-like estável em um filme de Al₂O₃ amorfo de 3,6 nm de espessura. Os dispositivos de Al₂O₃ amorfo são altamente escaláveis, permitindo transistores de efeito de campo não voláteis (NVFET) multi-porta com passo de fin na escala de nanômetros. Também possui vantagens de baixa temperatura de processo, alta frequência (~GHz), ampla janela de memória e longa durabilidade, sugerindo grande potencial em sistemas VLSI. A polarização comutável (P) induzida por dipolos de lacunas de oxigênio modulados por tensão é proposta.

Fundamentação

Memória de acesso aleatório ferroelétrica (FeRAM) baseada em ferroelétricos perovskita convencionais (ex.: PZT) tem sido uma das memórias não voláteis (NVMs) comerciais, embora não possa ser escalada e não seja compatível com CMOS. Ferroeletricidade foi amplamente observada em uma variedade de materiais diferentes, como paredes aórticas de porco, nanofios de Sb₂S₃, filme de GaFeO₃, filmes de HfO₂ policristalino dopado, filmes de hidroxiapatita nanocristalina e filme de LaAlO₃-SrTiO₃. Entre esses materiais, filmes de HfO₂ dopado atraíram interesses especiais para aplicação em NVM devido à sua compatibilidade com processo CMOS. Mas a estrutura policristalina é inevitável para gerar ferroeletricidade em HfO₂ dopado, o que trouxe obstáculos para aplicação em dispositivos: 1) é incompatível com processamento gate-last no que se refere ao orçamento térmico de 500 °C necessário para formar fases cristalinas ortorrômbicas; 2) consumo de energia é induzido por corrente de vazamento indesejada ao longo dos contornos de grão, que aumenta exponencialmente com a redução da espessura do ferroelétrico. Recentemente, um estudo teórico propôs que a ferroeletricidade adicional em HfO₂ policristalino espesso (>5 nm) pode vir de correlações de longo alcance na montagem de dipolos elétricos criados por lacunas de oxigênio. O mecanismo de armadilha/desarmadilha de carga de defeito foi observado para produzir comportamento ferroelétrico-like em Al₂O₃ amorfo de 5 nm de espessura para memória multi-estado, que, no entanto, sofre de frequência de armadilha/desarmadilha muito baixa (ex.: ~500 Hz).

Neste trabalho, comportamento ferroelétrico-like estável é demonstrado em um filme de Al₂O₃ amorfo de 3,6 nm de espessura, onde a polarização comutável (P) é proposta como induzida por dipolos de lacunas de oxigênio modulados por tensão. O filme de Al₂O₃ amorfo possui as vantagens de baixa temperatura de processo e frequência de operação até ~GHz, que permitem NVFET multi-porta com passo de fin na escala de nanômetros. Memória NVFET de Al₂O₃ com largura de pulso de programação/apagamento (P/E) de 100 ns e durabilidade de mais de 10⁶ ciclos P/E é demonstrada. Os efeitos de eletrodos e espessura do filme na P em capacitores de Al₂O₃ também são investigados. Os dispositivos não voláteis amorfos mostram um futuro promissor em memórias VLSI.

Métodos

Filmes de Al₂O₃ amorfo foram crescidos em substratos Si(001), Ge(001) e TaN/Si por deposição de camada atômica (ALD). TMA e vapor de H₂O foram usados como precursores de Al e O, respectivamente. Durante a deposição, a temperatura do substrato foi mantida a 300 °C. Diferentes eletrodos metálicos superiores, incluindo TaN/Ti, TaN e W, foram depositados em superfícies de Al₂O₃ por sputtering reativo. Capacitores com diferentes eletrodos foram fabricados por litografia e gravação seca. Recozimento térmico rápido (RTA) a 350 °C por 30 s foi realizado. NVFETs com pilha de porta TaN/Al₂O₃ foram fabricados em Ge(001). Após formação da porta, regiões de fonte/dreno (S/D) foram implantadas por BF₂⁺ com dose de 1 × 10¹⁵ cm⁻² e energia de 20 keV, e eletrodos metálicos de S/D de níquel de 20 nm de espessura foram então formados por processo de lift-off. A Figura 1a e b mostra os esquemas do capacitor de Al₂O₃ fabricado e do NVFET de canal p. Há uma camada interfacial (IL) entre o eletrodo e o filme de Al₂O₃. As Figuras 1c e d mostram imagens de microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) das pilhas TaN/Al₂O₃/Ge com diferentes espessuras de Al₂O₃ amorfo (t_AlO) após um RTA a 350 °C.

Resultados e Discussão

A Figura 2 mostra as características medidas de P vs. tensão V para capacitores de Al₂O₃ amorfo com diferentes t_AlO e vários eletrodos superiores e inferiores. A frequência de medição é 1 kHz. Como mostrado nas Fig. 2a-c, com t_AlO fixo de 3,6 nm, o capacitor TaN/Al₂O₃/Ge atinge uma maior saturação de P (P_sat) comparado aos dispositivos com eletrodos superiores TaN/Ti e W. O comportamento ferroelétrico-like é fortemente correlacionado com interfaces, e propõe-se que a formação de IL de TaAlO_x entre TaN e Al₂O₃ produz mais lacunas de oxigênio, contribuindo para uma P de comutação mais forte, comparado às ILs de TiAlO_x e WAlO_x. Curvas P-V na Fig. 2d indicam que o capacitor TaN/Al₂O₃/TaN tem P_sat muito maior em comparação com TaN/Al₂O₃/Ge, atribuído ao fato de que ILs duplas de TaAlO_x fornecem maior concentração de lacunas de oxigênio. Enquanto P_sat é significativamente menor que aquele com eletrodo inferior de Si (Fig. 2e), comparado com o eletrodo de Ge. Este resultado indica que a qualidade da interface Al₂O₃/Si é melhor, ou seja, menos lacunas de oxigênio, comparado ao dispositivo baseado em substrato de Ge. A Figura 2f mostra as curvas P-V de um capacitor TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge, exibindo um Vc maior e um P_sat quase idêntico comparado ao dispositivo com filme de Al₂O₃ de 3,6 nm na Fig. 2b. Observa-se que a razão para os loops P-V não fechados é porque um vazamento de fato existe. Foi relatado que o grande deslocamento em campo elétrico zero sempre ocorreu com campo grande, e sempre desapareceu gradualmente com faixa de varredura menor de V.

As Figuras 2g e h mostram a evolução extraída dos valores positivos e negativos de P remanescente (Pr) e V coercitivo (Vc), respectivamente, ao longo de 10⁴ ciclos de varredura para um capacitor TaN/Al₂O₃/Ge. Nenhum efeito de wake-up, imprint ou fadiga é observado. Vc do dispositivo é ~1,8 V, indicando que o E no filme de Al₂O₃ é 4-6 MV/cm e nas ILs pode exceder 8 MV/cm, o que é alto o suficiente para impulsionar as lacunas de oxigênio. P_sat dos dispositivos varia de 1 a 5 μC/cm², correspondendo a uma concentração razoável de lacunas de oxigênio na faixa 3-15×10¹² cm⁻² assumindo que têm carga de mais dois.

O mecanismo subjacente para comportamento ferroelétrico-like associado a lacunas de oxigênio em dispositivos de Al₂O₃ é discutido. A migração de lacunas de oxigênio impulsionadas por tensão tem sido amplamente demonstrada em dispositivos de memória de acesso aleatório resistivo. A Figura 3 mostra os esquemas da P comutável em TaN/Al₂O₃/Ge, que origina-se da segregação de lacunas de oxigênio moduladas por tensão e cargas negativas para formar dipolos elétricos. É razoável inferir que as lacunas de oxigênio móveis surgem principalmente da formação de IL de TaAlO_x e estão localizadas nas proximidades da interface superior no estado inicial (Fig. 3a). As Figuras 3b e c indicam como as P positiva e negativa são formadas, respectivamente, com a modulação dos dipolos de lacuna de oxigênio e carga negativa sob tensão aplicada. Espectros de fotoelétrons de raios X (XPS) de Al₂O₃/Ge e (Ti, TaN e W)/Al₂O₃/Ge são medidos e mostrados na Fig. 4. Para todas as amostras metal/Al₂O₃/Ge, há uma IL de óxido metálico formada entre metal e Al₂O₃, que são propostas como reservatório de íons e lacunas de oxigênio, consistente com Ref. [17].

Para caracterizar o desempenho elétrico do NVFET de Al₂O₃ como NVM, a operação de programação (apagamento) é alcançada aplicando pulsos de tensão positiva (negativa) à porta, para elevar (baixar) sua tensão de limiar (V_TH). A Figura 5a mostra como as características de transferência da região linear do NVFET de Al₂O₃ se deslocam em relação à curva inicial I_DS-V_GS medida com tensões de programação (apagamento) de ±4 V com largura de pulso de 100 ns. Aqui, V_TH é definido como V_GS a 100 nA⋅W/L, e MW é definido como a mudança máxima em V_TH. O NVFET de Al₂O₃ obtém um MW de 0,44 V, embora o filme de Al₂O₃ amorfo tenha Pr menor que os filmes de HfO₂ dopado relatados. Observa-se que a alta frequência de operação de até 10 MHz da memória NVFET de Al₂O₃, indicativa de que a P comutável em Al₂O₃ origina-se da migração de lacunas de oxigênio impulsionadas por tensão para formar dipolos, não de armadilha/desarmadilha de carga de defeitos. Pulsos alternados de programação e apagamento foram aplicados aos dispositivos de Al₂O₃ para estudar ainda mais a durabilidade do dispositivo. A Figura 5b mostra os gráficos de V_TH vs. número de ciclos P/E, sugerindo que um MW estável pode ser mantido sem degradação significativa após 10⁶ ciclos P/E para um NVFET de Al₂O₃ de 3,6 nm de espessura.

Notavelmente, o comportamento ferroelétrico-like observado nos dispositivos de Al₂O₃ amorfo pode ser estendido a óxidos amorfos universais, ex.: óxido de háfnio (HfO₂) e óxido de zircônio (ZrO₂).

Conclusões

Comportamento ferroelétrico-like estável é realizado pela primeira vez em capacitores com um isolador de Al₂O₃ amorfo fino. P comutável em capacitores de Al₂O₃ amorfo é demonstrada por loops P-V e teste de NVFET. O comportamento ferroelétrico-like é proposto como originário de dipolos de íons e lacunas de oxigênio de interface. O NVFET de Al₂O₃ de 3,6 nm de espessura atinge um MW de 0,44 V e durabilidade de mais de 10⁶ ciclos sob condição P/E de ±4 V a 100 ns. Em suma, este trabalho abriu um novo mundo para dispositivos ferroelétricos de óxido amorfo, que são promissores para NVFETs multi-porta (formato fin, nanofio ou nanolâmina) com passo de fin potencialmente nano-escalado em sistemas VLSI.