Transistores de efeito de campo ferroelétricos ZrO2 ativados pelos dipolos de vacância de oxigênio comutáveis

Resumo

Este artigo investiga os impactos do recozimento térmico pós-rápido (RTA) e a espessura do ZrO ₂ na polarização P e características elétricas de TaN / ZrO ₂ / Ge capacitores e FeFETs, respectivamente. Após o RTA variando de 350 a 500 ° C, TaN / ZrO ₂ Capacitores / Ge com ZrO amorfo de 2,5 e 4 nm de espessura ₂ filme exibir o estábulo P . Propõe-se que o comportamento ferroelétrico origina-se da migração dos dipolos voltados para a formação de vacâncias de oxigênio e cargas negativas. FeFETs com 2,5 nm, 4 nm e 9 nm ZrO ₂ demonstrar a janela de memória decente (MW) com pulsos de programa / exclusão de 100 ns. Um ZrO ₂ de 4 nm de espessura FeFET melhorou significativamente as características de fadiga e retenção em comparação com dispositivos com ZrO de 2,5 nm e 9 nm ₂ . O desempenho de retenção do ZrO ₂ O FeFET pode ser melhorado com o aumento da temperatura do RTA. Um MW de ~ 0,46 V é extrapolado para ser mantido ao longo de 10 anos para o dispositivo com ZrO de 4 nm ₂ .

Histórico

Poli-HfO dopado ₂ Os transistores de efeito de campo ferroelétrico (FeFETs) têm atraído considerável interesse nas aplicações de memória não volátil (NVM) devido à compatibilidade do processo CMOS [1]. Embora o desempenho elétrico decente tenha sido demonstrado em HfO dopado ₂ à base de FeFETs [2], algumas limitações fundamentais ainda afetam suas aplicações práticas, incluindo o alto orçamento térmico de recozimento de 500 ° C necessário para formar fases de cristal ortorrômbico e a corrente de fuga indesejada ao longo dos limites de grão com a redução da espessura ferroelétrica. Ferroeletricidade foi amplamente observada em uma variedade de materiais diferentes, por exemplo, Sb ₂ S ₃ nanofios [3], GaFeO ₃ filme [4], LaAlO ₃ -SrTiO ₃ filme [5] e amorfo Al ₂ O ₃ contendo nanocristais [6, 7]. Recentemente, relatamos os FeFETs com ZrO parcialmente cristalizado ₂ isolador de porta funcionando como NVM e sinapse analógica [8]. Embora o ZrO ₂ transistores exibiram desempenho elétrico decente com a espessura mais fina em comparação com o HfO dopado relatado ₂ , o mecanismo subjacente para a ferroeletricidade em ZrO ₂ filme permanece obscuro. É crítico e importante elucidar a origem da polarização comutável P para avaliar o limite de desempenho de ZrO ₂ FeFETs.

Neste trabalho, TaN / ZrO ₂ / Ge FeFETs com isoladores de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm de espessura são fabricados. O comutável P em TaN / ZrO ₂ / O capacitor Ge é proposto para originar a partir da migração de vacâncias de oxigênio acionadas por voltagem e cargas negativas. Os impactos do ZrO ₂ espessura e o recozimento térmico pós-rápido (RTA) no P de TaN / ZrO ₂ / Ge e a janela de memória (MW), resistência e características de retenção de FeFETs são investigadas.

Métodos

FeFETs com ZrO ₂ isoladores de porta foram fabricados em 4 pol. substrato n-Ge (001) usando um processo semelhante em [8, 9]. Após a limpeza do pré-portão na solução diluída de HF (1:50), bolachas de Ge foram carregadas em uma câmara de deposição de camada atômica (ALD). ZrO ₂ filmes com espessuras de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm foram depositados a 250 ° C usando TDMAZr e H ₂ O como precursores de Zr e O, respectivamente. Um eletrodo de porta TaN de 100 nm de espessura foi depositado por pulverização catódica reativa. Após a formação do eletrodo de porta, as regiões de fonte / dreno (S / D) foram implantadas por BF ₂ ⁺ na dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² e uma energia de 20 keV. Um total de contatos S / D de níquel (Ni) de 15 nm foram formados por um processo de decolagem. Finalmente, o RTA a 350, 450 e 500 ° C por 30 s foi realizado.

A Figura 1a mostra o esquema do transistor fabricado. A Figura 1b-d mostra as imagens do microscópio eletrônico de transmissão (TEM) do TaN / ZrO ₂ Amostras / Ge com ZrO de 2,5, 4 e 9 nm de espessura ₂ , respectivamente. Todas as amostras foram submetidas a RTA a 500 ° C por 30 s. O ZrO de 2,5 nm ₂ a amostra permanece uma película isolante após o recozimento. Para a amostra de 4 nm, embora alguns nanocristais sejam observados, ZrO ₂ continua a ser uma camada amorfa. Enquanto a cristalização completa ocorre para o ZrO de 9 nm ₂ filme. Notavelmente, uma camada interfacial (IL) de GeO _x existe entre o ZrO ₂ e região do canal Ge, embora seja muito fina para ser observada nas imagens TEM.

a Esquema do TaN / ZrO fabricado ₂ / Ge FeFET. b , c , e d Imagens HRTEM do TaN / ZrO ₂ / Ge stacks com diferentes ZrO ₂ espessuras. As amostras foram submetidas a um RTA a 500 ° C por 30 s

Resultados e discussão

A Figura 2 mostra o P vs. tensão ( V ) curvas para o TaN / ZrO ₂ / Ge capacitores com diferentes ZrO ₂ espessuras e diferentes temperaturas de recozimento. As linhas sólidas com cores diferentes representam os loops menores com várias faixas de voltagem de varredura ( V _intervalo ) A frequência de medição é 1 kHz. O ZrO de 2,5 nm e 4 nm ₂ os dispositivos podem exibir ferroeletricidade estável após um RTA a 350 ° C. A Figura 3 representa o remanescente P ( P _r ) em função da varredura V curvas de alcance para os capacitores recozidos em várias temperaturas.

Medido P vs. V características do TaN / ZrO ₂ / Ge capacitores com diferentes ZrO ₂ espessuras e várias temperaturas de recozimento

Comparação de P _máximo em função de V _intervalo para o TaN / ZrO ₂ / Ge capacitores com diferentes ZrO ₂ espessuras e várias temperaturas de recozimento

A Figura 3 mostra a comparação de P _máximo em função de V _intervalo para o TaN / ZrO ₂ / Ge capacitores com os diferentes ZrO ₂ espessuras e as várias temperaturas RTA. Para o ZrO de 4 nm ₂ dispositivos, como a temperatura de recozimento aumenta de 350 para 450 ° C, um maior V _intervalo é necessário para obter um P fixo _máximo . Isso é atribuído ao fato de que a temperatura de recozimento mais alta produz as camadas interfaciais mais espessas (ILs) entre Ge / ZrO ₂ e ZrO ₂ / Interfaces TaN, levando a uma maior espessura equivalente de capacitância unificada (CET). Para o ZrO de 2,5 nm ₂ capacitores, a amostra com recozimento de 500 ° C tem um V inferior _intervalo do que a amostra de recozimento a 350 ° C com o mesmo P _máximo . Embora os ILs fiquem mais espessos com o aumento da temperatura do RTA, alguns ZrO ₂ foi consumido pela eliminação de oxigênio e interdifusão na interface. Para o ZrO muito fino ₂ dispositivo, o último é dominante. Comparado com o ZrO de 2,5 nm ₂ capacitor, um V muito maior _intervalo é necessário para obter um P semelhante _máximo . No entanto, o ZrO de 9 nm ₂ capacitor não exibe o V mais alto _intervalo em comparação com o dispositivo de 4 nm. Isso se deve ao cristal ZrO ₂ que tem um κ muito maior valor do que o filme amorfo, o que reduz significativamente o CET do dispositivo de 9 nm.

A Figura 4a mostra a evolução extraída do positivo e negativo P _r , denotado por \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {+} \) e \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {-} \), respectivamente, para os 4 nm- espessura ZrO ₂ capacitores com RTA em diferentes temperaturas acima de 10 ⁶ ciclos de varredura medidos a 1 kHz. Os dispositivos recozidos a 350 ° C e 450 ° C exibem o efeito de despertar óbvio. Nenhum despertar ou impressão é observado para o ZrO de 4 nm ₂ o capacitor ferroelétrico foi submetido ao recozimento a 500 ° C. A Figura 4b compara o P _r como uma função de ciclos de varredura para os dispositivos com os diferentes ZrO ₂ espessuras. O ZrO de 4 nm ₂ capacitor ferroelétrico atinge estabilidade melhorada de P _r resistência comparada aos dispositivos de 2,5 nm e 9 nm durante o 10 ⁶ Teste de resistência.

a P _r vs. o número de ciclos de varredura de pulso ms para ZrO de 4 nm ₂ capacitores com diferentes temperaturas RTA. b P _r vs. número de ciclos de varredura de pulso ms para o ZrO ₂ capacitores após recozimento a 500 ° C

A mudança P é observado em ZrO amorfo ₂ capacitância, e infere-se que o mecanismo deve ser diferente daquele do poli-HfO dopado relatado ₂ filmes ferroelétricos. Propomos que o mecanismo subjacente ao comportamento ferroelétrico está relacionado aos dipolos de vacância de oxigênio. É bem conhecido que, à medida que o metal TaN é depositado, as camadas sequestrantes de oxigênio Ta aumentam a concentração de vacância de oxigênio dentro do ZrO ₂ [10]. Vagas de oxigênio também aparecem no ZrO ₂ Interface / Ge. A Figura 5 mostra o esquema do comutável P em TaN / ZrO ₂ / Ge originado da migração de vacâncias de oxigênio e cargas negativas para formar os dipolos positivos e negativos. Especula-se que as cargas negativas em ZrO ₂ estão relacionados à vacância de Zr [11], que é semelhante àquelas em Al ₂ O ₃ filme [12]. A migração das vacâncias de oxigênio dirigidas por voltagem foi amplamente demonstrada em dispositivos resistivos de memória de acesso aleatório [13, 14]. Notavelmente, esta é a primeira demonstração de transistores não voláteis de três terminais dominados pelas vacâncias de oxigênio acionadas por voltagem.

Esquema do mecanismo para P comutável em ZrO ₂ capacitores, que é atribuído à migração de vacâncias de oxigênio acionadas por voltagem e cargas negativas para formar dipolos

O P-V histerese habilita o ZrO ₂ FeFETs para obter um MW grande e estável para os aplicativos NVM incorporados (eNVM). A Figura 6 mostra o I medido _DS - V _GS curvas de 2,5, 4 e 9 nm ZrO ₂ FeFETs para os dois estados de polarização com condições de programação / exclusão (P / E) de 1 μs. Os transistores foram recozidos a 500 ° C. A operação do programa (apagar) é alcançada pela aplicação de pulsos de tensão positivos (negativos) à porta do ZrO ₂ FeFETs, para aumentar (diminuir) sua tensão limite ( V _TH ) V _TH é definido como V _GS a 100 nA · W / L, e MW é definido como a mudança máxima em V _TH . Todos os FeFETs com vários ZrO ₂ espessuras têm MW acima de 1 V com pulsos de P / E de 1 μs. Para alcançar um MW semelhante, uma tensão de apagamento mais alta é necessária para o ZrO de 9 nm ₂ FeFET em comparação com os outros dois transistores. É visto que uma magnitude maior apaga V _GS é necessário para obter a mudança aproximadamente igual de I-V em relação à curva inicial em comparação com o programa V _GS . Especula-se que as vagas de oxigênio contribuem para o P vêm principalmente da reação entre TaN e ZrO ₂ , como o estado inicial do dispositivo na Fig. 5a. Como um V positivo _GS (programa) é aplicado, as vacâncias de oxigênio se difundem e se acumulam na camada próxima ao ZrO ₂ / Ge interface (Fig. 5b), onde a distribuição dos dipolos de vacância de oxigênio é bastante diferente do estado inicial. Portanto, é fácil mudar o I-V curva para um | V superior _TH | com um V positivo _GS . No entanto, como V negativo _GS (apagar) é aplicado, a difusão posterior das vacâncias de oxigênio traz a pilha de portas de volta ao seu estado original (Fig. 5c). Portanto, a magnitude do negativo apaga V _GS deve ser aumentado para atingir o deslocamento equivalente de I-V para o programa positivo V _GS .

Medido I _DS - V _GS curvas do ZrO de 2,5, 4 e 9 nm de espessura ₂ FeFETs para os estados de polarização inicial e dois com pulsos P / E de 1 μs

Como a largura do pulso P / E é reduzida para 100 ns, o ZrO ₂ Os FeFETs ainda demonstram o MW decente, como mostrado na Fig. 7a. Especialmente, o transistor com 2,5 nm ZrO ₂ recozido a 350 ° C atinge um MW de 0,28 V. A Figura 7b traça MW vs. número de ciclo para os FeFETs com vários ZrO ₂ espessuras com condição de pulso P / E de 100 ns. O ZrO de 4 nm ₂ dispositivo atinge um desempenho de resistência significativamente melhorado em comparação com 2,5 nm e 9 nm ZrO ₂ FeFETs, que exibem o óbvio efeito de despertar e fadiga em até 10 ³ ciclos.

a eu _DS - V _GS curvas do ZrO de 2,5, 4 e 9 nm de espessura ₂ FeFETs para os dois estados de polarização com pulsos P / E de 100 ns. Os dispositivos foram submetidos a um RTA a 500 ° C. b FeFET com 4 nm ZrO ₂ tem uma resistência aprimorada em comparação com 2,5 e 9 nm ZrO ₂ transistores

Finalmente, o teste de retenção do ZrO ₂ FeFETs é caracterizado e mostrado nas Figs. 8 e 9. A Figura 8a mostra a evolução de I _DS - V _GS curvas para os dois estados de polarização do ZrO de 4 nm ₂ FeFETs foram submetidos a RTA a 350, 450 e 500 ° C. O aprisionamento de carga leva à redução dos dispositivos com o tempo. Conforme mostrado na Fig. 8b, o desempenho de retenção dos dispositivos pode ser melhorado com o aumento da temperatura do RTA. Um MW de ~ 0,46 V é extrapolado para ser mantido ao longo de 10 anos. A Figura 9 compara as características de retenção dos FeFETs com diferentes ZrO ₂ espessuras. O ZrO de 4 nm ₂ dispositivo tem um desempenho de retenção aprimorado em comparação com os transistores com 2,5 e 9 nm de espessura ZrO ₂ .

a A evolução do I _DS - V _GS curvas para os dois estados de polarização do ZrO de 4 nm ₂ FeFETs com diferentes temperaturas RTA. b O ZrO de 4 nm ₂ dispositivo recozido a 500 ° C tem um desempenho de retenção muito melhor em comparação com os transistores com RTA em temperaturas mais baixas

a A evolução do I _DS - V _GS curvas para os dois estados de polarização para o ZrO de 2,5, 4 e 9 nm de espessura ₂ Os FeFETs foram submetidos a um RTA a 500 ° C. b O ZrO de 4 nm ₂ dispositivo tem um desempenho de retenção aprimorado em comparação com os transistores com 2,5 e 9 nm de espessura ZrO ₂

Conclusões

Em resumo, ZrO amorfo ₂ capacitores ferroelétricos são demonstrados experimentalmente, e a ferroeletricidade é especulada como sendo devida à migração dos dipolos acionados por voltagem formados pelas vacâncias de oxigênio e cargas negativas. FeFETs com 2,5 nm, 4 nm e 9 nm ZrO ₂ ter o MW acima de 1 V com pulsos P / E de 1 μs. As características aprimoradas de fadiga e retenção são obtidas no ZrO ₂ de 4 nm de espessura FeFET em comparação com os dispositivos com 2,5 nm e 9 nm ZrO ₂ . O teste de retenção indica que o ZrO de 4 nm ₂ transistor mantém um MW extrapolado de 10 anos de ~ 0,46 V.