FeFET с нанокристаллическим изолятором: сверхтонкие ферроэлектрические затворы для низковольтной логики и надежной невидимой памяти

Аннотация

Предлагается новый ферроэлектрический полевой транзистор (FeFET) с технологией нанокристаллического изолятеля (NEI), обеспечивающий удивительно тонкий унифицированный ферроэлектрический/диэлектрический (FE/DE) затворной стек толщиной всего 3,6 нм. Архитектура обеспечивает низковольтовую логическую работу и окно невидимой памяти (NVM) более 1 В. Ферроэлектрическое поведение орторомбовых нанокристалликов ZrO₂, диспергированных в аморфной матрице Al₂O₃, подтверждено гистерезисом поляризации-напряжения, пьезореспонсивной силой микроскопии и электрической характеристикой. Также изучена температурная зависимость и устойчивость NEI-основанного транзистора с отрицательной емкостью (NCFET), демонстрирующая стабильную работу в широком температурном диапазоне и надежную устойчивость более 1000 циклов DC.

Введение

FeFETs считаются перспективными кандидатами для нейхпоколения интегральных схем благодаря внутреннему эффекту отрицательной емкости (NC), позволяющему субпороговый наклон (SS) ниже 60 мВ/дек и более низкие напряжения питания. Недавний прогресс сосредоточен на легированном HfO₂, предлагающем хорошую CMOS-совместимость и масштабируемость толщины. Однако дальнейшее масштабирование ферроэлектрического слоя ограничено токами утечки, что затрудняет дизайн FinFET. Вдохновленные концепциями MOS с нанокристаллами, мы встраиваем ферроэлектрические нанокристаллы в диэлектрик с широкой запрещенной зоной, формируя NEI FeFET. Этот дизайн достигает сверхтонкого FE/DE стека, удовлетворяющего строгим требованиям к утечке, сохраняя сильное ферроэлектрическое связывание.

На рис. 1a показаны ключевые этапы фабрикации NEI FeFET, на рис. 1b — 3D-схема готового устройства. В работе представлены NEI FeFETs, детально изучены физические свойства NEI-слоев разной толщины и оценена электрическая производительность для низковольтной логики и NVM.

Методы

Фабрикация начинается с 4-дюймовых n-типа Ge(001) подложек (0,088–0,14 Ом·см). После очистки HF подложки переносят в камеру ALD, где нанокристаллы ZrO₂ внедряются в аморфную матрицу Al₂O₃, формируя NEI-слой. Получают NEI-пленки толщиной 2,1 нм и 3,6 нм. Ворота TaN осаждают реактивным спуттерингом, затем паттернирование ворот, имплантация источник/сток (BF₂⁺, 20 кэВ, 1×10¹⁵ см⁻²), осаждение Ni-контактов и быстрый термический отжиг (RTA). Для сравнения также фабрикуют референсные MOSFET с чистыми Al₂O₃ воротами.

На рис. 1b показано сечение устройства: ферроэлектрические нанокристаллы полностью инкапсулированы в диэлектрик, обеспечивая высокую диэлектрическую проницаемость (κ) и большое коэрцитивное поле (E_c). Малая объемная доля ZrO₂ (< 0,5%) достаточно для индукции ферроэлектричества, сохраняя низкую утечку.

HRTEM подтверждает орторомбовые ZrO₂ (111) нанокристаллы с межплоскостным интервалом 0,173 нм. Измерения поляризации-напряжения (P-V) и пьезореспонсивная сила микроскопия (PFM) показывают ферроэлектрическое переключение, с остаточной поляризацией (P_r), растущей с толщиной пленки и деградирующей выше 550 °C из-за термической релаксации.

Результаты и обсуждение

Производительность NEI NCFET

На рис. 7a показаны I_DS–V_GS характеристики 3,6-нм NEI NCFET, отожженных при 450 °C и 500 °C. Оба прибора демонстрируют минимальный гистерезис, подтверждая хорошее согласование ферроэлектрической и MOS емкости. По часовой стрелке I-V петли подтверждают эффект отрицательной емкости, а не заряд ловушки. Утечка затвора остается низкой, встраиваемые нанокристаллы не создают дополнительных путей утечки.

Сравнивая 3,6-нм NEI NCFET с референсным MOSFET одинаковой толщины затвора (2,1 нм), NCFET показывает более крутой SS и на 16% выше I_DS при V_DS = 1 В. Эффект NDR более выражен в более толстом 3,6-нм устройстве, согласуясь с более сильным ферроэлектрическим связыванием.

На рис. 8a — I_DS–V_GS для 2,1-нм NEI NCFET и чистого Al₂O₃ MOSFET. Вставка показывает более крутой SS до порога. На рис. 8b — I_DS–V_DS с NDR в NCFET; 2,1-нм устройство улучшает I_DS на 16% по сравнению с MOSFET.

Тесты температурной зависимости (10–30 °C) показывают, что SS NCFET остается неизменным, а кривая I_DS–V_GS смещается к более отрицательным затворным напряжениям при повышении температуры — признак усиления ферроэлектрической активности. Прямое V_GS также смещается в отрицательную сторону с температурой, вероятно, отражая увеличение E_c.

NEI FeFET как невидимая память

Расширение диапазона сканирования V_GS увеличивает окно памяти (MW). 3,6-нм NEI FeFET дает MW 1,14 В при сканировании между +1 В и –2 В, значительное улучшение по сравнению с 0,2 В при ±0,1 В. Тесты выносливости на 1000 DC циклов показывают стабильное гистерезисное окно ~0,65 В, подтверждая надежность ферроэлектрического слоя.

Сравнение с опубликованными FeFET (MW vs FE толщина) демонстрирует, что NEI устройство достигает >1 В окна с самым тонким сообщаемым ферроэлектрическим слоем (3,6 нм). Это превосходство, вероятно, обусловлено стабильной орторомбовой фазой в нанокристаллах, сохраняющейся при уменьшенных толщинах.

Наконец, NEI архитектура предлагает настраиваемость: P_r можно регулировать объемом нанокристаллов, а κ — внедрением высоко-κ элементов в аморфную матрицу (например, LaAlO₃). По сравнению с легированным HfO₂, NEI достигает сопоставимых коэрцитивных полей при заметно более низкой остаточной поляризации, уменьшая деполяризационные потери и улучшая удержание.

Заключение

Показано, что встраивание субнаноразмерных нанокристаллов ZrO₂ в аморфную матрицу Al₂O₃ создает ферроэлектрический затворной стек, поддерживающий как логику с отрицательной емкостью, так и стабильную невидимую память. 3,6-нм NEI FeFET обеспечивает окно памяти >1 В и сохраняет надежное NC-поведение в широком температурном диапазоне. Масштабируемость и низкая утечка архитектуры делают ее перспективным путем к полностью CMOS-совместимым FinFET с сверхтонкими ферроэлектрическими слоями.