Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
Resumo
Este artigo investiga os impactos do recozimento térmico rápido (RTA) pós-deposição e da espessura de ZrO2 na polarização P e características elétricas de capacitores TaN/ZrO2/Ge e FeFETs, respectivamente. Após RTA variando de 350 a 500 °C, capacitores TaN/ZrO2/Ge com filmes amorfos de ZrO2 de 2,5 e 4 nm de espessura exibem P estável. Propõe-se que o comportamento ferroelétrico origina-se da migração de dipolos formados por lacunas de oxigênio e cargas negativas impulsionados por tensão. FeFETs com ZrO2 de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm demonstram janela de memória (MW) decente com pulsos de programação/apagamento de 100 ns. Um FeFET com ZrO2 de 4 nm de espessura tem características de fadiga e retenção significativamente melhoradas comparado a dispositivos com ZrO2 de 2,5 nm e 9 nm. O desempenho de retenção do FeFET de ZrO2 pode ser melhorado com o aumento da temperatura de RTA. Uma MW de ~0,46 V é extrapolada para ser mantida por mais de 10 anos para o dispositivo com ZrO2 de 4 nm.
Fundamentação
Transistores de efeito de campo ferroelétricos (FeFETs) de HfO2 policristalino dopado atraíram considerável interesse em aplicações de memória não volátil (NVM) devido à sua compatibilidade com processo CMOS. Embora desempenho elétrico decente tenha sido demonstrado em FeFETs baseados em HfO2 dopado, algumas limitações fundamentais ainda assolam suas aplicações práticas, incluindo o alto orçamento térmico de recozimento a 500 °C necessário para formar fases cristalinas ortorrômbicas e a corrente de vazamento indesejada ao longo das fronteiras de grão com a redução da espessura ferroelétrica. Ferroeletricidade tem sido amplamente observada em uma variedade de materiais diferentes, e.g., nanofios de Sb2S3, filme de GaFeO3, filme LaAlO3-SrTiO3, e Al2O3 amorfo contendo nanocristais. Recentemente, relatamos FeFETs com isolador de porta de ZrO2 parcialmente cristalizado funcionando como NVM e sinapse analógica. Embora os transistores de ZrO2 exibissem desempenho elétrico decente com espessura menor comparada ao HfO2 dopado relatado, o mecanismo subjacente para a ferroeletricidade no filme de ZrO2 permanece obscuro. É crítico e importante elucidar a origem da polarização comutável P para avaliar o limite de desempenho dos FeFETs de ZrO2.
Neste trabalho, FeFETs TaN/ZrO2/Ge com isoladores de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm de espessura são fabricados. A P comutável em capacitor TaN/ZrO2/Ge é proposta para originar-se da migração de lacunas de oxigênio impulsionadas por tensão e cargas negativas. Os impactos da espessura de ZrO2 e do recozimento térmico rápido (RTA) pós-deposição na P de TaN/ZrO2/Ge e na janela de memória (MW), endurance e características de retenção de FeFETs são investigados.
Métodos
FeFETs com isolador de porta ZrO2 foram fabricados em substrato n-Ge(001) de 4 pol. usando processo similar ao em [8, 9]. Após limpeza pré-porta em solução HF diluída (1:50), wafers de Ge foram carregados em uma câmara de deposição de camadas atômicas (ALD). Filmes de ZrO2 com espessuras de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm foram depositados a 250 °C usando TDMAZr e H2O como precursores de Zr e O, respectivamente. Um eletrodo de porta TaN de 100 nm de espessura foi depositado por sputtering reativo. Após a formação do eletrodo de porta, as regiões de fonte/dreno (S/D) foram implantadas por BF2+ a uma dose de 1 × 1015 cm−2 e energia de 20 keV. Contatos S/D de níquel (Ni) de 15 nm no total foram formados por processo lift-off. Finalmente, RTA a 350, 450 e 500 °C por 30 s foi realizada.
A Figura 1a mostra o esquemático do transistor fabricado. Figuras 1b-d mostram imagens de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) das amostras TaN/ZrO2/Ge com ZrO2 de 2,5, 4 e 9 nm de espessura, respectivamente. Todas as amostras passaram por RTA a 500 °C por 30 s. A amostra de ZrO2 de 2,5 nm permanece um filme isolante após o recozimento. Para a amostra de 4 nm, embora alguns nanocristais sejam observados, ZrO2 mantém-se como camada amorfa. Enquanto cristalização completa ocorre para o filme de ZrO2 de 9 nm. Notavelmente, uma camada interfacial (IL) de GeOx existe entre o ZrO2 e a região de canal Ge, embora seja muito fina para ser observada nas imagens TEM.
Resultados e Discussão
A Figura 2 mostra as curvas P vs. tensão (V) para capacitores TaN/ZrO2/Ge com diferentes espessuras de ZrO2 e diferentes temperaturas de recozimento. As linhas sólidas com diferentes cores representam loops menores com várias faixas de varredura de tensão (Vrange). A frequência de medição é 1 kHz. Dispositivos de 2,5 nm e 4 nm de ZrO2 podem exibir ferroeletricidade estável após RTA a 350 °C. A Figura 3 plota a polarização remanescente P (Pr) como função das curvas de varredura de V para capacitores recozidos a várias temperaturas.
A Figura 3 mostra a comparação de Pmax como função de Vrange para capacitores TaN/ZrO2/Ge com diferentes espessuras de ZrO2 e várias temperaturas de RTA. Para dispositivos de ZrO2 de 4 nm, à medida que a temperatura de recozimento aumenta de 350 para 450 °C, um Vrange maior é necessário para obter um Pmax fixo. Isso é atribuído ao fato de que a temperatura de recozimento mais alta produz camadas interfaciais (ILs) mais espessas entre as interfaces Ge/ZrO2 e ZrO2/TaN, levando a uma maior espessura equivalente de capacitância unificada (CET). Para capacitores de ZrO2 de 2,5 nm, a amostra com recozimento a 500 °C tem Vrange menor que a amostra de recozimento a 350 °C com o mesmo Pmax. Embora as ILs fiquem mais espessas com o aumento da temperatura de RTA, parte do ZrO2 foi consumida pela captação de oxigênio e interdiffusão na interface. Para o dispositivo de ZrO2 muito fino, o último é dominante. Comparado ao capacitor de ZrO2 de 2,5 nm, um Vrange muito maior é necessário para alcançar Pmax similar. No entanto, o capacitor de ZrO2 de 9 nm não exibe Vrange maior em comparação com o dispositivo de 4 nm. Isso se deve ao ZrO2 cristalino que tem um valor de κ muito maior que o filme amorfo, o que reduz significativamente o CET do dispositivo de 9 nm.
A Figura 4a mostra a evolução extraída da Pr positiva e negativa, denotadas por Pr+ e Pr−, respectivamente, para capacitores de ZrO2 de 4 nm de espessura com RTA a diferentes temperaturas por mais de 106 ciclos de varredura medidos a 1 kHz. Dispositivos recozidos a 350 °C e 450 °C exibem óbvio efeito de wake-up. Nenhum wake-up ou imprint é observado para o capacitor ferroelétrico de ZrO2 de 4 nm submetido a recozimento a 500 °C. A Figura 4b compara a Pr como função de ciclos de varredura para dispositivos com diferentes espessuras de ZrO2. O capacitor ferroelétrico de ZrO2 de 4 nm alcança estabilidade melhorada de endurance de Pr comparado aos dispositivos de 2,5 nm e 9 nm durante o teste de endurance de 106 ciclos.
A comutação P é observada em capacitância de ZrO2 amorfo, e infere-se que o mecanismo deve ser diferente do de filmes ferroelétricos de HfO2 policristalino dopado relatados. Propomos que o mecanismo subjacente para o comportamento ferroelétrico está relacionado a dipolos de lacunas de oxigênio. É bem conhecido que, conforme o metal TaN é depositado, as camadas de captação de oxigênio de Ta aumentarão a concentração de lacunas de oxigênio dentro do ZrO2. Lacunas de oxigênio também aparecem na interface ZrO2/Ge. A Figura 5 mostra os esquemáticos da P comutável em TaN/ZrO2/Ge originando-se da migração de lacunas de oxigênio e cargas negativas para formar dipolos positivos e negativos. Especula-se que as cargas negativas no ZrO2 estão relacionadas à lacuna de Zr, o que é similar àquelas em filme de Al2O3. A migração de lacunas de oxigênio impulsionadas por tensão tem sido amplamente demonstrada em dispositivos de memória de acesso aleatório resistiva. Notavelmente, esta é a primeira demonstração de transistores não voláteis de três terminais dominados por lacunas de oxigênio impulsionadas por tensão.
A histerese P-V permite que FeFETs de ZrO2 obtenham MW grande e estável para aplicações de NVM embarcado (eNVM). A Figura 6 mostra as curvas IDS-VGS medidas de FeFETs de ZrO2 de 2,5, 4 e 9 nm de espessura para os dois estados de polarização com condições de programação/apagamento (P/E) de 1 μs. Os transistores foram recozidos a 500 °C. Operação de programação (apagamento) é alcançada aplicando pulsos de tensão positiva (negativa) ao portão dos FeFETs de ZrO2, para elevar (baixar) sua tensão de limiar (VTH). VTH é definido como VGS a 100 nA·W/L, e MW é definido como a mudança máxima em VTH. Todos os FeFETs com várias espessuras de ZrO2 têm MW acima de 1 V com pulsos P/E de 1 μs. Para alcançar MW similar, uma tensão de apagamento maior é necessária para o FeFET de ZrO2 de 9 nm comparado aos outros dois transistores. Vê-se que uma magnitude maior de VGS de apagamento negativo é necessária para obter deslocamento aproximadamente igual de I-V relativo à curva inicial comparado ao VGS de programação positivo. Especula-se que as lacunas de oxigênio contribuindo para a P vêm principalmente da reação entre TaN e ZrO2, como o estado inicial do dispositivo na Fig. 5a. À medida que um VGS positivo (programação) é aplicado, as lacunas de oxigênio difundem e se acumulam na camada próxima à interface ZrO2/Ge (Fig. 5b), onde a distribuição dos dipolos de lacunas de oxigênio é bastante diferente do estado inicial. Então é fácil deslocar a curva I-V para um |VTH| maior com VGS positivo. No entanto, quando um VGS negativo (apagamento) é aplicado, a retro-difusão de lacunas de oxigênio traz a pilha de porta de volta ao seu estado original (Fig. 5c). Então a magnitude do VGS de apagamento negativo tem que ser aumentada para alcançar o deslocamento equivalente de I-V ao VGS de programação positivo.
À medida que a largura do pulso P/E é reduzida para 100 ns, os FeFETs de ZrO2 ainda demonstram MW decente, como mostrado na Fig. 7a. Especialmente, o transistor com ZrO2 de 2,5 nm recozido a 350 °C atinge MW de 0,28 V. A Figura 7b plota MW vs. número de ciclos para FeFETs com várias espessuras de ZrO2 com condição de pulso P/E de 100 ns. O dispositivo de ZrO2 de 4 nm atinge endurance significativamente melhorado comparado aos FeFETs de ZrO2 de 2,5 nm e 9 nm, que exibem óbvio efeito de wake-up e fadiga dentro de 103 ciclos.
Finalmente, o teste de retenção dos FeFETs de ZrO2 é caracterizado e mostrado nas Figs. 8 e 9. A Figura 8a mostra a evolução das curvas IDS-VGS para os dois estados de polarização dos FeFETs de ZrO2 de 4 nm submetidos a RTA a 350, 450 e 500 °C. O aprisionamento de carga leva à redução dos dispositivos com o tempo. Como mostrado na Fig. 8b, o desempenho de retenção dos dispositivos pode ser melhorado com o aumento da temperatura de RTA. Uma MW de ~0,46 V é extrapolada para ser mantida por mais de 10 anos. A Figura 9 compara as características de retenção dos FeFETs com diferentes espessuras de ZrO2. O dispositivo de ZrO2 de 4 nm tem desempenho de retenção melhorado comparado aos transistores com ZrO2 de 2,5 e 9 nm de espessura.
Conclusões
Em resumo, capacitores ferroelétricos de ZrO2 amorfo são demonstrados experimentalmente, e a ferroeletricidade é especulada como devida à migração de dipolos formados por lacunas de oxigênio e cargas negativas impulsionados por tensão. FeFETs com ZrO2 de 2,5 nm, 4 nm e 9 nm têm MW acima de 1 V com pulsos P/E de 1 μs. Características de fadiga e retenção melhoradas são obtidas no FeFET de ZrO2 de 4 nm de espessura em comparação com dispositivos com ZrO2 de 2,5 nm e 9 nm. O teste de retenção indica que o transistor de ZrO2 de 4 nm mantém uma MW extrapolada de 10 anos de ~0,46 V.
Disponibilidade de Dados e Materiais
Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.
Abreviações
- RTA:
- Recozimento térmico rápido
- IL:
- Camada interfacial
- TaN:
- Nitreto de tântalo
- FeFET:
- Transistores de efeito de campo ferroelétricos
- TDMAZr:
- Tetrakis(dimetilamido)zirconio
- Ge:
- Germânio
- ZrO2:
- Dióxido de zircônio
- ALD:
- Deposição de camadas atômicas
- HF:
- Ácido fluorídrico
- BF2+:
- Íon fluoreto de boro
- MW:
- Janela de memória
- NVM:
- Memória não volátil
- Pr:
- Polarização remanescente
- TEM:
- Microscópio eletrônico de transmissão
- Ni:
- Níquel
- Pmax:
- Polarização máxima
- RTA:
- Recozimento térmico rápido (repetido)
- Vrange:
- Faixa de varredura de tensão
Nanomateriais
- DDS Habilitado para Web: Conectando IoT, Nuvem e Conectividade em Tempo Real
- Entendendo Transistores de Efeito de Campo de Junção (JFETs): Direção da Corrente de Gate & Canal N vs P
- Transistores: IGFET (MOSFET) — Modos Depleção e Realce Explicados
- Transistores de Efeito de Campo de Junção (JFET): Projeto, Operação e Variantes Avançadas
- Transistores de Efeito de Campo de Gate Isolado (MOSFETs) — Projeto, Operação e Variantes de Potência
- Entendendo Transistores de Efeito de Campo de Junção (JFET): Fundamentos e Aplicações
- Entendendo Transistores de Efeito de Campo de Gate Isolado (IGFET)
- Aproveitando Toxicidade de Espécies Reativas de Oxigênio para Terapia Avançada de Tumores: Estratégias de Nanopartículas e Perspectivas Clínicas
- Transistores de Efeito de Campo de Nanoflocos de SnSe de Alto Desempenho com Contatos Ôhmicos de Ouro de Baixa Resistência
- Por Que a Geração de Oxigênio no Local é um Divisor de Águas para Eficiência Industrial