Сегнетоэлектрическое поведение, обусловленное диполями кислородных вакансий в аморфной пленке для энергонезависимой памяти

Фон

Сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом (FeRAM), основанная на традиционных перовскитных сегнетоэлектриках (например, PZT), была одной из коммерческих энергонезависимых запоминающих устройств (NVM) [1], хотя ее нельзя масштабировать и она не совместима с CMOS. Сегнетоэлектричество широко наблюдалось в различных материалах, таких как стенки аорты свиньи [2], Sb ₂ S ₃ нанопроволоки [3], GaFeO ₃ пленка [4], легированный поли-HfO ₂ пленки [5], пленки нанокристаллического гидроксиапатита [6] и LaAlO ₃ -SrTiO ₃ фильм [7]. Среди этих материалов легированный HfO ₂ Фильмы вызывают особый интерес в приложениях NVM из-за их совместимости с процессами CMOS. Но поликристаллическая структура неизбежно генерирует сегнетоэлектричество в легированном HfO ₂ . , что создало следующие препятствия для применения устройства:1) оно несовместимо с обработкой до затвора в отношении теплового баланса 500 ° C, необходимого для образования фаз орторомбического кристалла [8]; 2) потребление энергии вызвано нежелательным током утечки по границам зерен, который экспоненциально увеличивается вместе с уменьшением толщины сегнетоэлектрика. Недавно в теоретическом исследовании было высказано предположение, что дополнительное сегнетоэлектричество в толстом поли-HfO ₂ (> 5 нм) может быть результатом дальнодействующих корреляций в сборке электрических диполей, созданных кислородными вакансиями [9]. Механизм захвата / снятия дефектного заряда приводил к сегнетоэлектрическому поведению в аморфном Al ₂ толщиной 5 нм. О ₃ для многоуровневой памяти, которая, однако, страдает от очень низкой частоты захвата / удаления (например, ~ 500 Гц) [10].

В этой работе стабильное поведение, подобное сегнетоэлектрику, продемонстрировано в аморфном Al ₂ толщиной 3,6 нм. О ₃ пленка, где переключаемая поляризация ( P ) предполагается индуцировать модулированными по напряжению диполями кислородных вакансий. Аморфный Al ₂ О ₃ Пленка обладает преимуществами низкой температуры процесса и рабочей частоты до ~ ГГц, что позволяет использовать энергонезависимый полевой транзистор (NVFET) с несколькими затворами и шагом ребер нанометрового масштаба. Аль ₂ О ₃ Память NVFET с длительностью импульса программы / стирания (P / E) длительностью 100 нс и напряжением более 10 ⁶ Продемонстрирована выносливость циклов P / E. Влияние электродов и толщины пленки на P в А1 ₂ О ₃ конденсаторы также исследуются. Аморфные энергонезависимые устройства показывают многообещающее будущее СБИС-памяти.

Методы

Аморфный Al ₂ О ₃ Пленки выращивались на подложках Si (001), Ge (001) и TaN / Si методом атомно-слоистого осаждения (ALD). TMA и H ₂ Пары O использовались в качестве прекурсоров Al и O соответственно. Во время напыления температура подложки поддерживалась на уровне 300 ° C. На Al ₂ были нанесены различные верхние металлические электроды, включая TaN / Ti, TaN и W. О ₃ поверхности реактивным напылением. Конденсаторы с разными электродами были изготовлены методом литографии и сухого травления. Был проведен быстрый термический отжиг (RTA) при 350 ° C в течение 30 с. NVFET с TaN / Al ₂ О ₃ Блок затворов был изготовлен на Ge (001). После формирования затвора области истока / стока (S / D) были имплантированы BF ₂ ⁺ с дозой 1 × 10 ¹⁵ см ^-2 и энергией 20 кэВ, и затем с помощью процесса отрыва были сформированы никелевые S / D металлические электроды толщиной 20 нм. На рис. 1а и б показаны схемы изготовленного Al ₂ . О ₃ конденсатор и р-канальный NVFET. Между электродом и Al ₂ имеется межфазный слой (IL). О ₃ фильм. На рис. 1c и d показаны изображения TaN / Al ₂ , полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (HRTEM). О ₃ / Ge стопки с различным аморфным Al ₂ О ₃ толщина ( t _AlO ) после RTA при 350 ° C.

Схемы изготовленного а Аль ₂ О ₃ конденсаторы с различными электродами и б Аль ₂ О ₃ NVFET. c и d Изображения HRTEM изготовленного TaN / Al ₂ О ₃ / Ge стеки с разными t _AlO , показывающий аморфный Al ₂ О ₃ пленки после RTA при 350 ° C

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показано измеренное значение P . vs . напряжение В характеристики аморфного Al ₂ О ₃ конденсаторы с разными t _AlO и различные верхние и нижние электроды. Частота измерения 1 кГц. Как показано на рис. 2a – c, при фиксированном 3,6 нм t _AlO , TaN / Al ₂ О ₃ Конденсатор / Ge обеспечивает более высокую насыщенность P ( P _сб ) по сравнению с приборами с верхними электродами из TaN / Ti и W. Поведение, подобное сегнетоэлектрику, сильно коррелирует с интерфейсами, и предполагается, что образование TaAlO _x IL между TaN и Al ₂ О ₃ производит больше кислородных вакансий, что способствует более сильному переключению P , по сравнению с TiAlO _x и WALO _x Ил. P-V кривые на рис. 2d показывают, что TaN / Al ₂ О ₃ / Конденсатор TaN имеет гораздо более высокое значение P _сб по сравнению с TaN / Al ₂ О ₃ / Ge, что объясняется тем, что дуальный TaAlO _x ИЖ обеспечивают более высокую концентрацию кислородных вакансий. Пока P _сб значительно ниже, чем у нижнего Si-электрода (рис. 2д), по сравнению с Ge-электродом. Этот результат показывает, что Al ₂ О ₃ / Si качество интерфейса лучше, т.е. меньше кислородных вакансий, чем в устройстве на основе Ge. На рисунке 2f показан P-V кривые TaN / Al ₂ О ₃ (6 нм) / Ge конденсатор, демонстрирующий более высокое V _c и почти идентичный P _сб по сравнению с прибором с 3,6 нм Al ₂ О ₃ пленка на рис. 2б. Отмечается, что причина незакрытого P - V петли, потому что утечка действительно существует. Сообщалось, что большое смещение при нулевом электрическом поле всегда происходило с большим полем и всегда постепенно исчезало с меньшим диапазоном развертки V [11, 12].

Измерено P по сравнению с V характеристики Al ₂ О ₃ конденсаторы с разными электродами. а , b , и c показывая P - V кривые TaN / Ti / Al ₂ О ₃ / Ge, TaN / Al ₂ О ₃ / Ge и W / Al ₂ О ₃ / Ge соответственно с длиной волны 3,6 нм t _AlO . г и е показывая, что P _сб улучшается (восстанавливается) за счет использования TaN (Si) в качестве нижнего электрода вместо Ge. е TaN / Al ₂ О ₃ (6 нм) / Ge конденсатор имеет более высокое V _c и аналогичный P _сб по сравнению с устройством толщиной 3,6 нм в b . г и h Измерения выносливости не показывают ухудшения P _r и V _c наблюдается через 10 ⁴ циклы подметания для TaN / Al ₂ О ₃ (3,6 нм) / Ge конденсатор

На рис. 2g и h показана извлеченная эволюция положительного и отрицательного остатка P . ( P _r ) и принудительного V ( V _c ) значения соответственно более 10 ⁴ циклы подметания для TaN / Al ₂ О ₃ / Ge конденсатор. Не наблюдается эффекта пробуждения, отпечатка или утомляемости. V _c напряжения устройства составляет ~ 1,8 В, что говорит о том, что E в Аль ₂ О ₃ пленка составляет 4 ~ 6 МВ / см, а в ИЖ может превышать 8 МВ / см, что достаточно для движения кислородных вакансий [13, 14]. P _сб диапазона устройств от 1 до 5 мкКл / см ² , что соответствует разумной концентрации кислородных вакансий в диапазоне 3 ~ 15 × 10 ¹² см ^-2 при условии, что у них есть заряд плюс два.

Основной механизм сегнетоэлектрического поведения, связанный с кислородными вакансиями в Al ₂ О ₃ устройства обсуждается. Миграция кислородных вакансий, управляемых напряжением, была широко продемонстрирована в резистивных устройствах оперативной памяти [15, 16]. На рисунке 3 показана схема переключаемого P в TaN / Al ₂ О ₃ / Ge, который возникает в результате сегрегации модулированных напряжением кислородных вакансий и отрицательных зарядов с образованием электрических диполей. Разумно предположить, что подвижные кислородные вакансии в основном возникают в результате образования TaAlO _x ИЛ и находятся в окрестности верхней границы раздела в исходном состоянии (рис. 3а). На рисунках 3b и c показано, как положительный и отрицательный P образуются соответственно при модуляции кислородной вакансии и диполей отрицательного заряда под действием приложенного напряжения. Рентгеновские фотоэлектронные спектры (РФЭС) Al ₂ О ₃ / Ge и (Ti, TaN и W) / Al ₂ О ₃ Образцы / Ge измерены и показаны на рис. 4). Для всего металла / Al ₂ О ₃ / Ge, между металлом и Al ₂ образуется ИЖ оксида металла. О ₃ , которые предполагается использовать в качестве резервуара для ионов кислорода и вакансий, что согласуется с [5]. [17].

Схема механизма сегнетоэлектрического поведения в Al ₂ О ₃ конденсаторы. Переключаемый P происходит из-за миграции кислородных вакансий и отрицательных зарядов с образованием диполей

XPS-спектры основного уровня a Аль ₂ О ₃ / Ge, b TaN / Al ₂ О ₃ / Ge, c Ti / Al ₂ О ₃ / Ge и d W / Al ₂ О ₃ / Ge образцы

Для характеристики электрических характеристик Al ₂ О ₃ NVFET как NVM, операция программирования (стирания) достигается путем подачи положительных (отрицательных) импульсов напряжения на затвор для повышения (понижения) его порогового напряжения ( V _TH ). На рисунке 5а показано, как передаточные характеристики в линейной области Al ₂ О ₃ Смещение NVFET относительно начального I _DS - V _GS кривая, измеренная при напряжении программы (стирания) ± 4 В с длительностью импульса 100 нс. Здесь V _TH определяется как V _GS при 100 нА⋅Вт / л, а МВт определяется как максимальное изменение V _TH . Аль ₂ О ₃ NVFET имеет молекулярную массу 0,44 В, хотя аморфный Al ₂ О ₃ пленка имеет меньшее P _r чем зарегистрированный допированный HfO ₂ фильмы [5, 8]. Отмечено, что высокая рабочая частота до 10 МГц Al ₂ О ₃ Память NVFET, которая указывает на то, что переключаемый P в А1 ₂ О ₃ возникает из-за миграции кислородных вакансий под действием напряжения с образованием диполей, а не из-за улавливания / снятия дефектов заряда. На Al ₂ были поданы чередующиеся импульсы программы и стирания. О ₃ устройства для дальнейшего изучения выносливости устройства. На рисунке 5b показаны графики V _TH vs . Номер цикла P / E, предполагающий, что стабильный MW может поддерживаться без значительного ухудшения более 10 ⁶ Циклы P / E для Al ₂ толщиной 3,6 нм О ₃ NVFET.

а Измерено I _DS - V _GS кривые Al ₂ толщиной 3,6 нм О ₃ NVFET для начального и двух состояний поляризации. Получается МВт 0,44 В. б Измерение долговечности показывает, что ухудшения молекулярной массы не наблюдается после 10 ⁶ Циклы P / E

Примечательно, что поведение, подобное сегнетоэлектрику, наблюдаемое в аморфном Al ₂ О ₃ устройства могут быть расширены до универсальных аморфных оксидов, например оксида гафния (HfO ₂ ) и оксид циркония (ZrO ₂ ).

Выводы

Стабильное поведение, подобное сегнетоэлектрику, впервые реализовано в конденсаторах с тонким аморфным Al ₂ О ₃ изолятор. Переключаемый P в аморфном Al ₂ О ₃ конденсаторы демонстрирует P-V петли и тест NVFET. Предполагается, что причиной сегнетоэлектрического поведения являются кислородные вакансии на границе раздела фаз и ионные диполи. Al ₂ толщиной 3,6 нм О ₃ NVFET достигает МВт 0,44 В и более 10 ⁶ продолжительность цикла при ± 4 В при условии P / E 100 нс. В целом, эта работа открыла новый мир для аморфно-оксидных сегнетоэлектрических устройств, которые являются многообещающими для многозатворных (ребристых, нанопроволочных или нанолистовых) полевых транзисторов NVFET с потенциально наноразмерным шагом ребер в системах СБИС.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

Al ₂ О ₃ :

Оксид алюминия

ALD:

Осаждение атомного слоя

BF ₂ ⁺ :

Ион фторида бора

E _c :

Коэрцитивное электрическое поле

Ge:

Германий

GeO _x :

Оксид германия

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

I _DS :

Слить ток

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

MW:

Окно памяти

Ни:

Никель

NVFET:

Энергонезависимый полевой транзистор

P _r :

Остаточная поляризация

P _сб :

Поляризация насыщенности

RTA:

Оплаченный термический отжиг

TaAlO _x :

Оксид алюминия тантал

t _AlO :

Толщина оксида алюминия

TaN:

Нитрид тантала

V _GS :

Напряжение затвора

V _TH :

Пороговое напряжение

XPS:

Рентгеновские фотоэлектронные спектры