Окно памяти и повышение выносливости FeFET на основе Hf0,5Zr0,5O2 с затравочными слоями ZrO2, характеризуемыми измерениями с помощью быстрых импульсов напряжения

Фон

HfO ₂ Тонкие сегнетоэлектрические пленки на основе сегнетоэлектриков рассматриваются как перспективные материалы для затворов для сегнетоэлектрических полевых транзисторов (FeFET) из-за их комплементарной совместимости металл-оксид-полупроводник (CMOS) и масштабируемости. Среди нескольких видов структур стека затворов, которые могут использоваться в FeFET, металл / сегнетоэлектрик / изолятор / полупроводник (MFIS) представляет собой более практичную конфигурацию, поскольку он соответствует современной архитектуре MOS-устройств и хорошо сочетается с современными металлическими затворами с высоким коэффициентом k. (HKMG) процессы. Поэтому были предприняты большие усилия для разработки и изготовления полевых транзисторов FeFET со структурами стека затворов MFIS для приложений во встроенной энергонезависимой памяти, полевых транзисторах с отрицательной емкостью, искусственных нейронах, синапсах и устройствах логики в памяти [1,2,3,4 , 5,6,7,8].

До настоящего времени FeFET-транзисторы с высокой плотностью записи и высокой скоростью записи со структурами стека затворов MFIS были успешно изготовлены с использованием процессов HKMG [9, 10]. Помимо высокой плотности интеграции и высокой скорости записи, большое окно памяти (MW) и высокая надежность в отношении удержания и долговечности также критичны для использования FeFET в приложениях энергонезависимой памяти [11,12,13,14]. Из-за большого смещения полосы к кремнию, высокого коэрцитивного поля и умеренной диэлектрической проницаемости HfO ₂ тонкие сегнетоэлектрические пленки на основе HfO ₂ FeFET-транзисторы со структурой стека затворов MFIS демонстрируют надежные удерживающие свойства (10-летняя экстраполяция) [15,16,17]. Однако, хотя HfO ₂ тонкие пленки на основе демонстрируют умеренную выносливость более 1 × 10 ⁹ циклы переключения [14, 18], HfO ₂ полевые транзисторы на основе FeFET со структурой стека затворов MFIS имеют довольно ограниченный срок службы в диапазоне от 1 × 10 ⁴ до 1 × 10 ⁷ циклы переключения [17,19,20,21,22,23]. Теоретически ожидается, что использование изолирующих слоев с высоким k уменьшит электрическое поле в стеке затворов MFIS, что уменьшит изгиб полосы, тем самым улучшив долговечность и MW HfO ₂ на основе FeFET [12, 14]. Экспериментально Али и др. подтвердили, что увеличение значения k сверхтонкого слоя изолятора (т.е. использование SiON вместо SiO ₂ ) может эффективно улучшить свойства выносливости, а также молекулярную массу HfO ₂ на основе FeFET [13]. В нашем предыдущем исследовании [24] мы сообщили, что внедрение кристаллического ZrO ₂ Слой high-k в стеках затворов MFIS может улучшить качество кристаллов и подавить образование моноклинной фазы в Hf _0,5 Zr _0,5 О ₂ (HZO) тонких пленок, что приводит к большой МВ 2,8 В, характеризуемой методом развертки постоянного напряжения.

В этой работе мы сообщаем о характеристиках MW, удерживания и долговечности FeFET на основе HZO с кристаллическим ZrO ₂ и без него. посевные слои с помощью быстрых измерений импульсов положительного и отрицательного напряжения. Более того, преимущество использования кристаллического ZrO ₂ Обсуждаются семенные слои по МВ и выносливым свойствам.

Методы

N-канальные FeFET с ZrO ₂ и без него Затравочные слои были изготовлены с использованием процесса последнего затвора, как описано в [24]. ZrO ₂ Затравочный слой и слой HZO были выращены при температуре роста 300 ^o . C осаждением атомного слоя (ALD). Схема изготовленных FeFET показана на рис. 1а, ширина канала которого ( W ) и длины ( L ) составляли 80 и 7 мкм соответственно. Между тем, TaN / HZO / TaN и TaN / HZO / ZrO ₂ Конденсаторы / TaN были также изготовлены для оценки сегнетоэлектрических свойств тонких пленок HZO. Поляризация – напряжение ( P – V Петли гистерезиса конденсаторов были измерены с помощью испытательной системы сегнетоэлектрика Radiant Technologies RT66A, а характеристики устройства FeFET были измерены с помощью анализатора полупроводниковых приборов Agilent B1500A с блоком генератора импульсов (B1525A) [20]. Две основные последовательности испытаний, используемые для измерения МВ и долговечности, показаны на рис. 1b и c. Для измерений MW и удерживания импульсы программы / стирания (P / E) сначала применялись к затворам FeFET, а операции чтения выполнялись в разные интервалы времени с использованием I _D - V _G развертка ( V _D =0,1 В) для определения В _TH . Как правило, V _TH определяется как напряжение затвора, соответствующее току стока 10 ⁻⁷ A ∙ W / L [25], а MW определяется как разница V _TH значения между запрограммированным и удаленным состояниями. Для измерения выносливости, МВ измеряли после определенного количества чередующихся импульсов P / E.

а Схема изготовленных FeFET-транзисторов. Дополнительный кристаллический ZrO ₂ посевной слой отмечен черными линиями сетки. б , c Последовательности испытаний, используемые для измерения МВ и выносливости

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показаны P – V петли гистерезиса TaN / HZO / TaN и TaN / HZO / ZrO ₂ Конденсаторы TaN. Примечательно, что TaN / HZO / ZrO ₂ Конденсатор / TaN обладает даже лучшими сегнетоэлектрическими свойствами, чем конденсатор TaN / HZO / TaN, что согласуется с опубликованными результатами [26], указывающими на то, что кристаллический ZrO ₂ Затравочный слой действительно может улучшить качество кристаллов и подавить образование моноклинной фазы в тонких пленках HZO [24]. На рисунке 2b показан I _D - V _G кривые FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ и без него посевные слои после импульсов P / E. Красные линии символов представляют I _D - V _G кривые после подачи программного импульса 7 В / 100 нс, в то время как синие линии символов представляют I _D - V _G кривые после подачи импульса стирания - 7 В / 100 нс. Видно, что I _D - V _G кривые обоих FeFET показывают характеристики переключения против часовой стрелки, предполагая, что MW существующих FeFET возникают из-за переключения поляризации слоев HZO, а не из-за захвата и инжекции заряда. Тем не менее, FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ затравочный слой демонстрирует улучшенную молекулярную массу 1,4 В, что примерно в 1,8 раза больше, чем (0,8 В) FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Более того, полученная МВт 1,4 В сравнима с лучшими результатами, о которых сообщалось на сегодняшний день [9, 11, 14, 17, 21,22,23, 27].

а P – V петли гистерезиса TaN / HZO / TaN и TaN / HZO / ZrO ₂ / TaN MFM-структуры, измеренные при 4 В и частоте 5 кГц. б Я _D - V _G кривые FeFET на основе HZO с (w) и без (без) ZrO ₂ затравочные слои после программного импульса (+ 7 В / 100 нс) и импульса стирания (-7 В / 100 нс)

Надежность в отношении удерживания FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ и без него посевные слои также оценивались. На рисунке 3 показан V _TH характеристики удерживания после применения программного импульса 7 В / 100 нс и импульса стирания -7 В / 100 нс при комнатной температуре. Понятно, что V _TH значения приблизительно линейны с логарифмической шкалой времени. Экстраполированная молекулярная масса после 10 лет для FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ затравочный слой составляет 0,9 В, больше, чем (0,6 В) для FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Поскольку толстая эквивалентная толщина емкости (CET) ZrO ₂ (1,5 нм) / SiO ₂ Слои изолятора затвора (2,6 нм) приведут к усилению поля деполяризации в стеке затворов [13, 15], дальнейшее улучшение удерживающих свойств можно ожидать, если толщина SiO ₂ слой уменьшается.

Удерживающие характеристики FeFET на основе HZO с ZrO ₂ и без него семенные слои

На рисунке 4 показана эволюция I _D - V _G кривые после чередования циклов P / E ± 7 В / 100 нс. Для FeFET без дополнительного кристаллического ZrO ₂ слой семян, как значительный сдвиг, так и ухудшение уклона в I _D - V _G кривые наблюдаются на ранних стадиях цикла P / E, а I _D - V _G кривые в стертых состояниях демонстрируют большее ухудшение наклона по сравнению с состояниями программы. Для FeFET с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ семенной слой, хотя I _D - V _G кривые в стертых состояниях демонстрируют очевидный положительный сдвиг на ранних стадиях цикла P / E, который приписывается эффекту «пробуждения» [13, 28,29,30,31,32], нет очевидного сдвига на I _D - V _G кривых в состояниях программы наблюдается до 1 × 10 ³ циклы. Более того, для FeFET с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ посевной слой, I _D - V _G кривые как в стертом состоянии, так и в состоянии программы демонстрируют лишь небольшое ухудшение наклона до 1 × 10 ³ циклов.

Эволюция I _D - V _G кривые FeFET на основе HZO a без и b с ZrO ₂ семенные слои с циклическим переключением P / E

Согласно предыдущим отчетам [12, 28, 33], параллельный сдвиг в I _D - V _G кривые объясняются постепенным накоплением захваченных зарядов в стопке затворов, в то время как уменьшение наклона в I _D - V _G кривые - это результат генерации граничных ловушек. Поскольку захваченные заряды могут быть выведены из ловушки электрическими средствами, но образование межфазных ловушек необратимо, минимизация образования межфазных ловушек чрезвычайно важна для улучшения характеристик выносливости [28]. Ловушки интерфейса, генерируемые циклическим P / E (Δ N _это ) можно описать с помощью уравнения. (1) [34, 35]:

где ΔSS - изменение подпорогового колебания, k постоянная Больцмана, T абсолютная температура, C _FI - полная емкость стека затворов, а ∅ _F - потенциал Ферми. Δ N _это как функция цикла P / E для FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ и без него затравочные слои показаны на рис. 5. Очевидно, что для FeFET без дополнительного кристаллического ZrO ₂ посевной слой, Δ N _это очевидно возрастает с ранних стадий цикла P / E, и Δ N _это в стертых состояниях намного больше, чем в состояниях программы. Однако Δ N _это для FeFET с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ посевной слой почти не меняется до 1 × 10 ³ циклов, и он всегда меньше, чем у FeFET без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Поскольку вставка дополнительного ZrO ₂ Затравочный слой уменьшает электрическое поле в стеке затворов, и, таким образом, изгиб полосы слабее, а образование ловушек на границе раздела менее интенсивно [12, 14].

Эволюция ∆ N _это с чередованием P / E

На рисунке 6 показано изменение характеристик тока утечки затвора ( I _G - V _G кривые) FeFET на основе HZO с ZrO ₂ и без него семенные слои с чередованием P / E. Для FeFET без дополнительного кристаллического ZrO ₂ В затравочном слое ток утечки затвора резко возрастает с ранних стадий цикла P / E. Однако ток утечки затвора для FeFET с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ посевной слой почти не меняется до 5 × 10 ² циклов, и он всегда меньше, чем у FeFET без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Сообщается, что увеличение тока утечки затвора может быть связано с сгенерированными интерфейсными ловушками [28]. Снижение тока утечки затвора с помощью циклирования для FeFET с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ начальный слой будет отнесен к подавлению генерации прерывания интерфейса.

Эволюция характеристик тока утечки затвора ( I _G - V _G кривые) FeFET на основе HZO a без и b с ZrO ₂ семенные слои с циклическим переключением P / E

V _TH значения для программ и состояний стирания, извлеченные из I _D - V _G кривые FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ и без него Затравочные слои показаны на рис. 7. FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ затравочный слой всегда имеет большую молекулярную массу, чем FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Более того, молекулярная масса FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ затравочный слой, очевидно, уменьшается на ранних стадиях цикла P / E, в то время как MW FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ слой семян немного уменьшается до 1 × 10 ³ циклы. По мере дальнейшего увеличения числа циклов P / E FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ посевной слой также показывает очевидную деградацию наклона I _D - V _G кривые и MW, из-за улучшенной генерации ловушек на границе раздела. Однако молекулярная масса FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ посевной слой все еще больше 0,9 В до 1 × 10 ⁴ циклов, что примерно в 2,3 раза больше, чем (0,4 В) FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Как обсуждалось ранее, уменьшение необходимого электрического поля для получения более насыщенных состояний поляризации, вероятно, отвечает за улучшенные характеристики износостойкости.

Эволюция V _TH с чередованием P / E

Выводы

МВт, а также надежность в отношении удержания и долговечности FeFET на основе HZO с TaN / HZO / SiO ₂ / Si и TaN / HZO / ZrO ₂ / SiO ₂ Затворные стеки / Si MFIS были охарактеризованы измерениями быстрых импульсов напряжения. Результаты показывают, что FeFET на основе HZO с дополнительным кристаллическим ZrO ₂ затравочный слой демонстрирует большое начальное окно памяти 1,4 В и экстраполированное 10-летнее сохранение 0,9 В, что больше, чем начальное окно памяти (0,8 В) FeFET на основе HZO без дополнительного кристаллического ZrO ₂ семенной слой. Более того, надежность в отношении долговечности FeFET на основе HZO может быть улучшена путем введения кристаллического ZrO ₂ затравочный слой между слоем HZO и SiO ₂ / Si подложка. Повышение молекулярной массы и выносливости FeFET на основе HZO с ZrO ₂ Затравочные слои в первую очередь связаны с улучшенным кристаллическим качеством слоя HZO и подавлением образования межфазных ловушек из-за уменьшения электрического поля, необходимого для получения более насыщенных состояний поляризации. На основе этой работы ожидается, что использование прямой кристаллической затвора с высоким k / Si приведет к дальнейшему улучшению MW и надежности HfO ₂ на основе FeFET, и поэтому требуют дальнейшего изучения и развития.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

CMOS:

Комплементарный металл-оксид-полупроводник

FeFET:

Сегнетоэлектрический полевой транзистор

FeFET:

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы

HKMG:

Металлические ворота high-k

HZO:

Hf _0,5 Zr _0,5 О ₂

I _D :

Слить ток

L:

Длина

MFIS:

Металл / сегнетоэлектрик / изолятор / полупроводник

MW:

Окно памяти

P / E:

Программирование / стирание

P – V :

Поляризация – напряжение

SS :

Подпороговое колебание

V _G :

Напряжение затвора

V _TH :

Пороговое напряжение

W:

Ширина

Δ N _это :

Сгенерированные интерфейсные ловушки