Увеличение окна памяти и выносливости FeFET на основе Hf0.5Zr0.5O2 с подслайдами из ZrO2: характеристика быстрыми импульсами

Аннотация

Ферроэлектрические полевые транзисторы (FeFET) на основе HfO₂ со структурами металл/ферроэлектрик/изолятор/полупроводник (MFIS) являются перспективными кандидатами для высокоплотных высокоскоростных энергонезависимых памятьх. Хотя их удержание соответствует промышленным требованиям, окно памяти (MW) и выносливость все еще не достигают строгих требований для крупномасштабного внедрения. В этом исследовании мы изучаем влияние кристалличного подслайда из ZrO₂ на MW, удержание и выносливость FeFET на Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO), используя измерения быстрыми напряженными импульсами. FeFET с подслайдом ZrO₂ демонстрирует большее начальное MW 1.4 В, экстраполированное на 10 лет MW 0.9 В и заметно улучшенную выносливость (превышающую 10⁴ циклов переключения) по сравнению с устройствами без подслайда. Эти результаты подтверждают, что прямой кристалличный высокок/кремний шлюзовой стек может еще больше повысить производительность и надежность FeFET на основе HfO₂.

Введение

Ферроэлектрические тонкопленочные покрытия на основе HfO₂ привлекли значительный интерес для шлюзовых стеков FeFET благодаря их совместимости с CMOS-процессами и отличной масштабируемости. Среди множества архитектур шлюзовых стеков структура MFIS особенно привлекательна, так как соответствует современным MOS-конструкциям и может интегрироваться с технологиями высокок металл-шлюз (HKMG). Следовательно, MFIS FeFET изучали для встроенных энергонезависимых памятьх, транзисторов с отрицательной емкостью, нейроморфных устройств и схем логика-в-памяти.

Передовая MFIS FeFET, изготовленная по HKMG-процессам, продемонстрировала высокую плотность интеграции и быструю скорость записи. Однако для приложений энергонезависимой памяти критически важны большое окно памяти и надежное удержание и выносливость. FeFET на HfO₂ обычно обеспечивают надежное удержание (экстраполяция на 10 лет), но их выносливость варьируется от 10⁴ до 10⁷ циклов переключения. Теоретические исследования предполагают, что высокок изолятор может снизить электрическое поле через MFIS стек, тем самым смягчая изгиб зон и улучшая как MW, так и выносливость. Экспериментально показано, что увеличение диэлектрической проницаемости ультразтонкого изоляционного слоя (например, замена SiO₂ на SiON) повышает выносливость и MW. Ранее также указывали, что вставка кристалличного слоя ZrO₂ улучшает кристалличность HZO-пленок и подавляет вредную моноклинную фазу, давая MW 2.8 В по DC-замеру.

Здесь мы представляем систематическое исследование MW, удержания и выносливости HZO FeFET с и без кристалличного подслайда ZrO₂, характеризуемое быстрыми положительными и отрицательными напряженными импульсами. Обсуждаем, как подслайд влияет на ферроэлектрические свойства, электрическую надежность и общую производительность устройств.

Методы

Оба n-канальных FeFET — с и без подслайда ZrO₂ — изготавливались процессом gate-last, как описано в [24]. Подслайд ZrO₂ и слой HZO осаждали при 300 °C методом атомно-слойного осаждения (ALD). Геометрия устройства показана на рис. 1a, ширина канала W = 80 мкм, длина L = 7 мкм. Дополнительно изготовили конденсаторы TaN/HZO/TaN и TaN/HZO/ZrO₂/TaN для оценки ферроэлектрических свойств HZO-пленок. Гистерезисные петли поляризация-напряжение (P-V) измеряли на тестере Radiant Technologies RT66A, а характеристики FeFET — на анализаторе Agilent B1500A с генератором импульсов B1525A.

Использовали две основные тестовые последовательности (рис. 1b,c). Для изучения MW и удержания сначала подавали импульсы программирования/стирания (P/E) на затворы FeFET, затем считывали пороговое напряжение V_TH в разные моменты времени кривыми I_D-V_G (V_D = 0.1 В). V_TH извлекали при токе стока 10⁻⁷ А·W/L, а MW определяли как разность V_TH между запрограммированным и стертым состояниями. Выносливость оценивали путем измерения MW после заданного числа чередующихся P/E импульсов.

Результаты и обсуждение

На рис. 2a показаны P-V петли конденсаторов TaN/HZO/TaN и TaN/HZO/ZrO₂/TaN. Включение кристалличного подслайда ZrO₂ заметно улучшает ферроэлектрический отклик, что согласуется с предыдущими отчетами, и подтверждает, что подслайд повышает кристалличность HZO-пленки и подавляет моноклинную фазу.

В FeFET противоположно-по часовой стрелке I_D-V_G кривые подтверждают, что MW исходит от переключения ферроэлектрической поляризации, а не от зарядовой ловушки. FeFET с подслайдом ZrO₂ достигает MW 1.4 В — почти в 1.8 раза больше, чем 0.8 В в устройстве без подслайда — и соответствует лучшим опубликованным значениям.

Удержание оценивали измерением V_TH после импульсов программирования и стирания при комнатной температуре (рис. 3). Оба устройства показывают примерно линейную зависимость V_TH от логарифма времени. Экстраполяция на 10 лет дает MW 0.9 В для устройства с подслайдом против 0.6 В без него. Большее CET стека ZrO₂/SiO₂ (1.5 нм/2.6 нм) увеличивает поляризационное поле, что предполагает, что дальнейший прирост удержания возможен за счет уменьшения толщины SiO₂.

Рис. 4 показывает эволюцию I_D-V_G кривых под чередующимися циклами P/E ±7 В/100 нс. Устройство без подслайда демонстрирует значительный сдвиг и деградацию наклона уже на ранних циклах, причем стертое состояние страдает больше. В отличие, устройство с подслайдом показывает лишь незначительный положительный сдвиг в стертом состоянии — атрибутируемый эффекту пробуждения — и пренебрежимо малый сдвиг в запрограммированном состоянии до 1×10³ циклов. Оба состояния также демонстрируют лишь легкую деградацию наклона, указывая на сниженную генерацию интерфейсных ловушек.

Плотность интерфейсных ловушек (ΔN_it) выводили из изменения субпорогового склона по формуле ΔSS = (ΔN_it kT ln 10)/(C_FI ϕ_F). Как показано на рис. 5, ΔN_it в устройстве без подслайда резко возрастает с первых циклов и значительно выше в стертом состоянии. Напротив, устройство с подслайдом показывает практически нулевое изменение ΔN_it до 1×10³ циклов и последовательно более низкие значения. Сниженное электрическое поле через шлюзовой стек благодаря высокок подслайду уменьшает изгиб зон и подавляет генерацию интерфейсных ловушек.

Токи утечки через затвор (I_G-V_G) также отражают влияние подслайда (рис. 6). Устройство без подслайда испытывает драматический рост утечки с первых циклов, тогда как устройство с подслайдом демонстрирует пренебрежимо малые изменения до 5×10² циклов и сохраняет низкую утечку на протяжении всего теста. Поскольку интерфейсные ловушки могут усиливать утечку, подавление их генерации в устройстве с подслайдом объясняет наблюдаемую стабильность.

Наконец, значения V_TH, извлеченные из I_D-V_G кривых по циклу P/E (рис. 7), показывают, что устройство с подслайдом стабильно поддерживает большее MW, чем без подслайда. Пока MW без подслайда быстро деградирует, MW с подслайдом незначительно снижается до 1×10³ циклов и остается выше 0.9 В даже после 1×10⁴ циклов — примерно в 2.3 раза выше 0.4 В у устройства без подслайда. Сниженное необходимое электрическое поле для достижения насыщенных поляризационных состояний, вероятно, лежит в основе этого преимущества в выносливости.

Заключение

Измерения быстрыми импульсами на HZO FeFET со стеками TaN/HZO/SiO₂/Si и TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si MFIS демонстрируют, что кристалличный подслайд ZrO₂ существенно увеличивает окно памяти и выносливость. Устройство с подслайдом достигает начального MW 1.4 В, экстраполированного на 10 лет MW 0.9 В и сохраняет MW выше 0.9 В после 10⁴ циклов P/E — существенно превосходя аналог без подслайда. Улучшения обусловлены повышением кристалличности HZO-слоя и снижением генерации интерфейсных ловушек за счет пониженного электрического поля через шлюзовой стек. Эти результаты указывают, что интеграция прямого кристалличного высокок/кремний шлюзового стека еще больше повысит MW и надежность FeFET на основе HfO₂, открывая путь к их внедрению в память следующего поколения и технологии логика-в-памяти.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

CMOS:

Комплементарный металл-оксид-полупроводник

FeFET:

Ферроэлектрический полевой транзистор

FeFETs:

Ферроэлектрические полевые транзисторы

HKMG:

Высокок металл-шлюз

HZO:

Hf_0.5Zr_0.5O₂

I_D:

Ток стока

L:

Длина

MFIS:

Металл/ферроэлектрик/изолятор/полупроводник

MW:

Окно памяти

P/E:

Программирование/стирание

P-V:

Поляризация-напряжение

SS:

Субпороговый склон

V_G:

Напряжение на затворе

V_TH:

Пороговое напряжение

W:

Ширина

ΔN_it:

Сгенерированные интерфейсные ловушки