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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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
a Esquemático do FeFET TaN/ZrO2/Ge fabricado. b, c e d Imagens HRTEM das pilhas TaN/ZrO2/Ge com diferentes espessuras de ZrO2. As amostras passaram por RTA a 500 °C por 30 s

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
Curvas P vs. V medidas dos capacitores TaN/ZrO2/Ge com diferentes espessuras de ZrO2 e várias temperaturas de recozimento
Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
Comparação de Pmax como função de Vrange para capacitores TaN/ZrO2/Ge com diferentes espessuras de ZrO2 e várias temperaturas de RTA

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
a Pr vs. número de ciclos de varredura de pulso ms para capacitores de ZrO2 de 4 nm com diferentes temperaturas de RTA. b Pr vs. número de ciclos de varredura de pulso ms para capacitores de ZrO2 após recozimento a 500 °C

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
Esquemáticos do mecanismo para P comutável em capacitores ZrO2, atribuído à migração de lacunas de oxigênio e cargas negativas impulsionadas por tensão para formar dipolos

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
Curvas IDS-VGS medidas dos FeFETs de ZrO2 de 2,5, 4 e 9 nm de espessura para os estados inicial e dois de polarização com pulsos P/E de 1 μs

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
a Curvas IDS-VGS dos FeFETs de ZrO2 de 2,5, 4 e 9 nm de espessura para os dois estados de polarização com pulsos P/E de 100 ns. Os dispositivos passaram por RTA a 500 °C. b FeFET com ZrO2 de 4 nm tem endurance melhorado comparado aos transistores de ZrO2 de 2,5 e 9 nm

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.

Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
a Evolução das curvas IDS-VGS para os dois estados de polarização dos FeFETs de ZrO2 de 4 nm com diferentes temperaturas de RTA. b O dispositivo de ZrO2 de 4 nm recozido a 500 °C tem desempenho de retenção muito melhor comparado aos transistores com RTA a temperaturas menores
Aproveitando Dipolos de Lacunas de Oxigênio Comutáveis para Transistores de Efeito de Campo Ferroelétricos de ZrO₂ Robustos
a Evolução das curvas IDS-VGS para os dois estados de polarização para FeFETs de ZrO2 de 2,5, 4 e 9 nm de espessura submetidos a RTA a 500 °C. b 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

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