Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе ZrO2, активируемые переключаемыми диполями вакансий кислорода

Фон

Легированный поли-HfO ₂ сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET) вызвали значительный интерес в приложениях энергонезависимой памяти (NVM) из-за их совместимости с процессами CMOS [1]. Хотя приличные электрические характеристики были продемонстрированы в легированном HfO ₂ На основе FeFET [2] некоторые фундаментальные ограничения все еще мешают их практическому применению, включая высокий тепловой баланс при отжиге 500 ° C, необходимый для образования фаз ромбического кристалла, и нежелательный ток утечки по границам зерен с уменьшением толщины сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектричество широко наблюдается в различных материалах, например, Sb ₂ S ₃ нанопроволоки [3], GaFeO ₃ фильм [4], LaAlO ₃ -SrTiO ₃ пленка [5], и аморфный Al ₂ О ₃ содержащие нанокристаллы [6, 7]. Недавно мы сообщили о FeFET с частично кристаллизованным ZrO ₂ вентильный изолятор, выполняющий функции NVM и аналогового синапса [8]. Хотя ZrO ₂ транзисторы показали хорошие электрические характеристики при меньшей толщине по сравнению с легированным HfO ₂ . , лежащий в основе механизм сегнетоэлектричества в ZrO ₂ фильм остается неясным. Очень важно выяснить происхождение переключаемой поляризации P для оценки предела производительности ZrO ₂ FeFET.

В этой работе TaN / ZrO ₂ / Ge FeFET с изоляторами толщиной 2,5 нм, 4 нм и 9 нм. Переключаемый P в TaN / ZrO ₂ Предполагается, что конденсатор / Ge возникает в результате миграции кислородных вакансий и отрицательных зарядов под действием напряжения. Воздействие ZrO ₂ толщину и постбыстрый термический отжиг (RTA) на P из TaN / ZrO ₂ / Ge и окно памяти (MW), выносливость и характеристики удержания FeFET исследуются.

Методы

FeFET с ZrO ₂ изолятор затвора изготовлен на 4 дюйма. Подложка n-Ge (001) с использованием аналогичной технологии [8, 9]. После предварительной очистки затвора в разбавленном растворе HF (1:50) пластины Ge загружали в камеру осаждения атомных слоев (ALD). ZrO ₂ Пленки толщиной 2,5 нм, 4 нм и 9 нм были нанесены при 250 ° C с использованием TDMAZr и H ₂ O как предшественники Zr и O соответственно. Электрод затвора из TaN толщиной 100 нм наносился методом реактивного распыления. После формирования электрода затвора области истока / стока (S / D) были имплантированы BF ₂ ⁺ в дозе 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² и энергия 20 кэВ. Всего с помощью процесса отрыва были сформированы S / D-контакты никеля (Ni) 15 нм. Наконец, был проведен RTA при 350, 450 и 500 ° C в течение 30 с.

На рис. 1а представлена ​​схема изготовленного транзистора. На рис. 1b – d показаны изображения TaN / ZrO ₂ , полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). / Ge с ZrO ₂ толщиной 2,5, 4 и 9 нм , соответственно. Все образцы подвергались RTA при 500 ° C в течение 30 с. 2,5 нм ZrO ₂ После отжига образец остается диэлектрической пленкой. Для образца 4 нм, хотя наблюдаются некоторые нанокристаллы, ZrO ₂ остается аморфным слоем. В то время как полная кристаллизация происходит для 9 нм ZrO ₂ фильм. Примечательно, что межфазный слой (ИС) GeO _x существует между ZrO ₂ и область канала Ge, хотя она слишком тонкая, чтобы ее можно было наблюдать на изображениях ПЭМ.

а Схема изготовленного TaN / ZrO ₂ / Ge FeFET. б , c , и d ВРЭМ изображения TaN / ZrO ₂ / Ge стеки с разными ZrO ₂ толщины. Образцы подвергались RTA при 500 ° C в течение 30 с

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показан P от напряжения ( В ) кривые для TaN / ZrO ₂ / Ge конденсаторы с разными ZrO ₂ толщины и разные температуры отжига. Сплошные линии разного цвета представляют второстепенные контуры с различным диапазоном качающегося напряжения ( В _{диапазон} ). Частота измерения 1 кГц. 2,5 нм и 4 нм ZrO ₂ устройства могут демонстрировать стабильное сегнетоэлектричество после RTA при 350 ° C. На рисунке 3 показан остаток P ( P _r ) как функция развертки V кривые диапазона для конденсаторов, отожженных при различных температурах.

Измерено P по сравнению с V характеристики TaN / ZrO ₂ / Ge конденсаторы с разными ZrO ₂ толщины и различные температуры отжига

Сравнение P _макс как функция от V _{диапазон} для TaN / ZrO ₂ / Ge конденсаторы с разными ZrO ₂ толщины и различные температуры отжига

На рисунке 3 показано сравнение P _макс как функция от V _{диапазон} для TaN / ZrO ₂ Конденсаторы / Ge с разными ZrO ₂ толщины и различных температур RTA. Для 4 нм ZrO ₂ устройств, при увеличении температуры отжига с 350 до 450 ° C увеличивается V _{диапазон} требуется для получения фиксированного P _макс . Это связано с тем, что более высокая температура отжига дает более толстые межфазные слои (ИЖ) между Ge / ZrO ₂ и ZrO ₂ / TaN, что приводит к увеличению унифицированной эквивалентной толщины емкости (CET). Для 2,5 нм ZrO ₂ конденсаторов, образец с отжигом 500 ° C имеет более низкое V _{диапазон} чем образец отжига при 350 ° C с тем же P _макс . Хотя ИЖ становятся толще с повышением температуры RTA, некоторые ZrO ₂ поглощается поглощением кислорода и взаимной диффузией на границе раздела. Для очень тонкого ZrO ₂ устройство, последнее является доминирующим. По сравнению с 2,5 нм ZrO ₂ конденсатор, гораздо больше V _{диапазон} требуется для достижения аналогичного P _макс . Однако 9 нм ZrO ₂ конденсатор не показывает более высокое V _{диапазон} по сравнению с устройством 4 нм. Это связано с кристаллом ZrO ₂ с гораздо более высоким κ по сравнению с аморфной пленкой, что значительно снижает CET 9-нм устройства.

На рисунке 4а показана извлеченная эволюция положительного и отрицательного значений P . _r , обозначаемые \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {+} \) и \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {-} \), соответственно, для 4 нм- толстый ZrO ₂ конденсаторы с RTA на разные температуры более 10 ⁶ циклы развертки измерены на частоте 1 кГц. Устройства, отожженные при 350 ° C и 450 ° C, демонстрируют очевидный пробуждающий эффект. Для 4 нм ZrO ₂ не наблюдается пробуждения или отпечатка. сегнетоэлектрический конденсатор прошел отжиг при 500 ° C. На рисунке 4b сравнивается P _r как функция циклов развертки для устройств с различным ZrO ₂ толщины. 4 нм ZrO ₂ сегнетоэлектрический конденсатор обеспечивает повышенную стабильность P _r выносливость по сравнению с устройствами 2,5 и 9 нм в течение 10 ⁶ испытание на выносливость.

а P _r в зависимости от количества циклов развертки мс-импульсов для 4 нм ZrO ₂ конденсаторы с разной температурой RTA. б P _r в зависимости от количества циклов развертки мс-импульсов для ZrO ₂ конденсаторы после отжига при 500 ° С

Переключение P наблюдается в аморфном ZrO ₂ емкости, и предполагается, что механизм должен отличаться от механизма легированного поли-HfO ₂ , о котором сообщается. сегнетоэлектрические пленки. Мы предполагаем, что основной механизм сегнетоэлектрического поведения связан с диполями кислородных вакансий. Хорошо известно, что по мере осаждения металла TaN слои поглотителя кислорода Ta будут увеличивать концентрацию кислородных вакансий внутри ZrO ₂ . [10]. Кислородные вакансии также появляются в ZrO ₂ / Ge интерфейс. На рисунке 5 показана схема переключаемого P в TaN / ZrO ₂ / Ge возникает в результате миграции кислородных вакансий и отрицательных зарядов с образованием положительных и отрицательных диполей. Предполагается, что отрицательные заряды в ZrO ₂ связаны с вакансией Zr [11], аналогичной вакансии в Al ₂ О ₃ фильм [12]. Миграция кислородных вакансий, управляемых напряжением, была широко продемонстрирована в резистивных устройствах оперативной памяти [13, 14]. Примечательно, что это первая демонстрация трехконтактных энергонезависимых транзисторов, в которых преобладают кислородные вакансии, управляемые напряжением.

Схема механизма переключаемого P в ZrO ₂ конденсаторов, что связано с миграцией кислородных вакансий под действием напряжения и отрицательных зарядов с образованием диполей

P-V гистерезис включает ZrO ₂ FeFET для получения большого и стабильного MW для встроенных приложений NVM (eNVM). На рисунке 6 показаны измеренные значения I _DS - V _GS кривые 2,5, 4 и 9 нм ZrO ₂ FeFET для двух состояний поляризации с условиями программирования / стирания (P / E) длительностью 1 мкс. Транзисторы отжигались при 500 ° C. Операция программирования (стирания) достигается путем подачи положительных (отрицательных) импульсов напряжения на затвор ZrO ₂ FeFET для повышения (понижения) его порогового напряжения ( V _TH ). V _TH определяется как V _GS при 100 нА · Вт / л, а МВт определяется как максимальное изменение V _TH . Все FeFET с различным ZrO ₂ толщины имеют MW выше 1 В с импульсами P / E длительностью 1 мкс. Для достижения аналогичной молекулярной массы требуется более высокое напряжение стирания для 9 нм ZrO ₂ FeFET по сравнению с двумя другими транзисторами. Видно, что стирание большей величины V _GS требуется для получения примерно равного сдвига I-V относительно исходной кривой по сравнению с программой V _GS . Предполагается, что кислородные вакансии, вносящие вклад в P в основном происходят из реакции между TaN и ZrO ₂ , как и исходное состояние устройства на рис. 5а. В качестве положительного V _GS (программа) кислородные вакансии диффундируют и накапливаются в слое около ZrO ₂ / Ge (рис. 5б), где распределение диполей кислородных вакансий существенно отличается от исходного состояния. Так что легко изменить I-V кривая к более высокому | V _TH | с положительным V _GS . Однако в качестве отрицательного V _GS (стирание), обратная диффузия кислородных вакансий возвращает стопку затворов в исходное состояние (рис. 5c). Итак, величина отрицательного стирания V _GS должен быть увеличен для достижения эквивалентного сдвига I-V к позитивной программе V _GS .

Измерено I _DS - V _GS кривые ZrO ₂ толщиной 2,5, 4 и 9 нм FeFET для начального и двух состояний поляризации с импульсами P / E длительностью 1 мкс

Поскольку ширина импульса P / E уменьшается до 100 нс, ZrO ₂ FeFET по-прежнему демонстрируют приличную молекулярную массу, как показано на рис. 7a. В частности, транзистор с 2,5 нм ZrO ₂ после отжига при 350 ° C достигается молекулярная масса 0,28 В. На рис. 7b представлены графики зависимости молекулярной массы от числа циклов для FeFET с различным ZrO ₂ толщины с состоянием импульса P / E 100 нс. 4 нм ZrO ₂ Устройство обеспечивает значительно улучшенные характеристики выносливости по сравнению с 2,5 и 9 нм ZrO ₂ FeFET, которые демонстрируют очевидный эффект пробуждения и утомляемость в пределах 10 ³ циклов.

а Я _DS - V _GS кривые ZrO ₂ толщиной 2,5, 4 и 9 нм FeFET для двух состояний поляризации с импульсами P / E 100 нс. Устройства прошли RTA при 500 ° C. б FeFET с 4 нм ZrO ₂ обладает повышенной износостойкостью по сравнению с 2,5 и 9 нм ZrO ₂ транзисторы

Наконец, тестирование удержания ZrO ₂ Характеристики FeFET показаны на рис. 8 и 9. На рис. 8а показана эволюция I _DS - V _GS кривые для двух состояний поляризации 4 нм ZrO ₂ FeFET подвергались RTA при 350, 450 и 500 ° C. Улавливание заряда приводит к уменьшению количества устройств со временем. Как показано на фиг. 8b, удерживающие характеристики устройств могут быть улучшены с увеличением температуры RTA. МВт ~ 0,46 В экстраполируется на 10 лет. На рисунке 9 сравниваются удерживающие характеристики FeFET с различным ZrO ₂ . толщины. 4 нм ZrO ₂ устройство имеет улучшенную удерживающую способность по сравнению с транзисторами с ZrO2 толщиной 2,5 и 9 нм ₂ .

а Эволюция I _DS - V _GS кривые для двух состояний поляризации 4 нм ZrO ₂ FeFET с разными температурами RTA. б 4 нм ZrO ₂ устройство, отожженное при 500 ° C, имеет гораздо лучшие удерживающие характеристики по сравнению с транзисторами с RTA при более низких температурах

а Эволюция I _DS - V _GS кривые для двух состояний поляризации для ZrO ₂ толщиной 2,5, 4 и 9 нм FeFET-транзисторы прошли RTA при 500 ° C. б 4 нм ZrO ₂ устройство имеет улучшенную удерживающую способность по сравнению с транзисторами с ZrO2 толщиной 2,5 и 9 нм ₂

Выводы

Таким образом, аморфный ZrO ₂ Экспериментально продемонстрированы сегнетоэлектрические конденсаторы, и предполагается, что сегнетоэлектричество возникает из-за миграции управляемых напряжением диполей, образованных кислородными вакансиями и отрицательными зарядами. FeFET с 2,5 нм, 4 нм и 9 нм ZrO ₂ иметь MW выше 1 В с импульсами P / E длительностью 1 мкс. Улучшенные характеристики усталости и удерживания получены в ZrO ₂ толщиной 4 нм. FeFET в сравнении с приборами с 2,5 и 9 нм ZrO ₂ . Тест на удерживание показывает, что 4 нм ZrO ₂ транзистор сохраняет экстраполированную 10-летнюю МВт ~ 0,46 В.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

RTA:

Быстрый термический отжиг

IL:

Межфазный слой

TaN:

Нитрид тантала

FeFET:

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы

TDMAZr:

Тетракис (диметиламидо) цирконий

Ge:

Германий

ZrO ₂ :

Диоксид циркония

ALD:

Осаждение атомного слоя

HF:

Плавиковая кислота

BF ₂ ⁺ :

Ион фторида бора

MW:

Окно памяти

NVM:

Энергонезависимая память

P _r :

Остаточная поляризация

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

Ни:

Никель

P _макс :

Максимальная поляризация

RTA:

Оплаченный термический отжиг

V _{диапазон} :

Диапазон переменного напряжения