Ультра-низковольтный 2D MoS₂ ферроэлектрический транзистор памяти с затвором Hf₁₋ₓZrₓO₂ для CMOS-совместимости

Аннотация

Ферроэлектрический полевой транзистор (FeFET) выступает как интригующая нелетучая память технология благодаря своей перспективной скорости работы и выносливости. Однако переключение поляризации требует высокого напряжения по сравнению с чтением, что влияет на потребление энергии при записи ячейки. Здесь мы сообщаем о CMOS-совместимой FeFET ячейке с низким рабочим напряжением. Мы инженерируем тонкую пленку ферроэлектрика Hf_1-xZr_xO₂ (HZO) для формирования отрицательной емкости (NC) затвора диэлектрика, который генерирует против часовой стрелки петлю гистерезиса поляризационного домена в малослойном дисульфиде молибдена (MoS₂) FeFET. Нестабилизированный отрицательный конденсатор внутренне поддерживает субтермический коэффициент подпорога и таким образом позволяет переключать ферроэлектрическую поляризацию с окном гистерезиса гораздо меньше половины рабочего напряжения. FeFET показывает высокое отношение тока вкл/выкл более 10⁷ и против часовой стрелки окно памяти (MW) 0,1 В при минимальном программном (P)/стирании (E) напряжении 3 В. Демонстрированы надежная выносливость (10³ циклов) и удержание (10⁴ с) свойства. Наши результаты демонстрируют, что HZO/MoS₂ ферроэлектрический транзистор памяти может достичь новых возможностей в масштабируемых по размеру и напряжению нелетучих приложениях памяти.

Предыстория

Рынок встроенной памяти системы на кристалле (SoC) в настоящее время находится в эпоху огромного роста, которая требует, чтобы память способна достичь более быстрой работы, меньшего размера ячейки и меньшего потребления энергии [1-6]. Ферроэлектрическая память, одна из самых перспективных кандидатов, была пересмотрена благодаря открытию ферроэлектрического оксида гафния в 2011 г. [7].

В прошедшие десятилетия FeFET не работал хорошо во всех этих аспектах, включая низковольтные требования для операций памяти, простоту технологических шагов и минимально дополнительный процесс интеграции с дополнительной металл-оксид-полупроводниковой (CMOS) интеграцией и ограниченными проблемами загрязнения [8-11]. Для решения этого, в последнее время огромное исследование 2D FeFET нелетучей памяти (NVM) проводилось на основе различных ферроэлектрических материалов, включая PbZrTiO₃ (PZT) и [P(VDF-TrFE)] полимер [12-18], что связано с перспективными свойствами 2D материала в «эпоху больше Мура». В FeFET два стабильных состояния спонтанной поляризации ферроэлектрического материала, включенного в затворной стек транзистора, используются для хранения данных через управляемое пороговое напряжение, включенное примененными сжатыми P/E затворными напряжениями. Сообщается, что воспроизводимые гистерезисные поведения, высокое отношение вкл/выкл 10⁴, хорошие свойства удержания до 10⁴ с и стабильная коммутационная операция были достигнуты в PZT/MoS₂ FeFET [19]. Заметно, максимальная подвижность 625 см²/В·с, большое MW 16 В для диапазона затворного напряжения ±26 В и высокое отношение вкл/выкл 8 × 10⁵ также были продемонстрированы n-типным [P(VDF-TrFE)] полимер/MoS₂ FeFET [15]. Однако существует множество фундаментальных проблем, которые могут предотвратить его практическое применение, такие как CMOS-совместимость, способность к масштабированию и интерфейсные состояния между Fe и 2D материалом. Ферроэлектрический оксид гафния, новый вид ферроэлектрического материала, имеет отличную CMOS-совместимость и способность к масштабированию, которая может служить для передовых FeFET NVM на технологическом узле sub-5 нм в ближайшие 5-10 лет [20]. Соответственно, партия HfO₂-основанных диэлектрических стеков была включена в 2D FeFETs, цель которых — достичь транзисторов с отрицательной емкостью (NCFET) с крутым ВКЛ/ВЫКЛ переключением через суб-60 мВ/декаду наклон и безгистерезисные характеристики [21-26]. Хотя массовые эксперименты на основе NC диэлектрического стека с альтернативными 2D канальными материалами сделали фантастические выводы, они подчеркнули требования к различению между NCFET и FeFET. Все еще существует недостаток систематического исследования касательно физики и жизнеспособности технологии устройства на однотранзисторной ферроэлектрической памяти на основе MoS₂ и ферроэлектрического HZO.

В этой работе предложен FeFET с малослойным HZO MoS₂ транзистором. Он способен масштабировать P/E напряжение через эффект NC, индуцированный инженерией затворного стека при сжатом P/E напряжении. Мы экспериментально продемонстрировали, что против часовой стрелки MW 0,1 В с суб-60 мВ/декаду наклоном достигнут в HZO MoS₂ FeFET, что может быть атрибутировано локальной модуляции плотности носителей в 2D канале быстрым переворотом ферроэлектрического диполя. Мы атрибутировали уменьшение гистерезиса HZO/MoS₂ FeFET при увеличении дренного напряжения отрицательному эффекту дрен-индуцированного снижения барьера (DIBL). Кроме того, также систематически изучались характеристики удержания, выносливости и зависимость порогового напряжения от дренного напряжения HZO MoS₂ FeFET, открывая осуществимый путь для проектирования HZO MoS₂ FeFET NVM и его практических применений.

Методы

6 нм Hf_1-xZr_xO₂ пленка и 2 нм Al₂O₃ осаждали на p⁺ Si подложке с помощью ALD при 300 °C, с [(CH₃)₂N]₄Hf(TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr(TDMAZr) и H₂O паром как Hf предворитель, Zr предворитель и окислительный предворитель соответственно. После этого подложка подвергалась быстрой термической отжигке (RTA) при 450 °C в течение 30 с в N₂ атмосфере. После этого малослойные MoS₂ хлопья механически эксфолировали и перенесли на подложку. Диаметр p⁺ Si подложки, используемой для осаждения HZO (6 нм)/Al₂O₃ (2 нм), составляет 6 дюймов. Мы использовали электронно-лучевую литографию (EBL) для паттернирования контактных площадок в поли(метилметакрилат) (PMMA) A5 резисте. Параметры вращения, параметры выпекания и параметры изображения: 500 об/мин (9 с) + 4000 об/мин (40 с), 170 °C (5 мин), MIBK:IPA = 1:3 (15 с) соответственно. Затем источно-стоковые электроды (Ti/Au, 5/65 нм толщиной) испаряли с помощью электронно-лучевой системы испарения (EBE) и травлили ацетоновым раствором. После лифт-офф устройство отжигали при 300 °C в течение 2 ч для улучшения контакта. Мы провели электрическую характеристику наших фабрикованных MoS₂/HZO полевых транзисторов с помощью зондной станции с микроманипулятором. Задне затворное напряжение (V_GS) применяли на p-тип сильно легированной Si подложке. Система характеристики полупроводников (PDA) использовалась для измерения дренно-источного напряжения (V_DS), задне затворного напряжения (V_GS) и дренно-источного тока (I_DS).

Результаты и обсуждение

Мы подготовили малослойный MoS₂ механической эксфолиацией объемного кристалла и перенесли MoS₂ нанохлопья на 2 нм Al₂O₃/6 нм HZO/p⁺ Si подложку (см. подробности в разделе «Эксперимент»). Рис. 1a и b отображают 3D схемatic вид и поперечное сечение структуры HZO/MoS₂ FeFET соответственно. Верхний вид сканирующей электронной микроскопии (SEM) изображения HZO/MoS₂ FeFET показан на рис. 1c. Ширина и длина MoS₂ канала составляют 2 мкм и 12 мкм соответственно. Как показано на рис. 1d, толщина MoS₂ канала подтверждалась атомно-силовой микроскопией (AFM). Измеренная толщина 1,57 нм указывает на наличие 4 слоев MoS₂ [26].

Структура устройства и основные свойства MoS₂/HZO FeFET. a Трехмерная схематичная представление MoS₂/HZO FeFET. b Схематичное поперечное сечение MoS₂/HZO FeFET. c Верхний вид SEM изображение фабрикованного MoS₂/HZO FeFET с Ti/Au источно-стоковыми электродами, HZO ферроэлектрическими затворными изоляторами и MoS₂ каналами. d Профиль высоты контактным режимом AFM вдоль красной линии в c, подтверждающий высоту MoS₂ канала.

Как показано на рис. S1c и d, элементный и связочный состав HZO изучали рентгеновской фотоэлектронной (XPS) спектроскопией. Пики найдены в 19,05 эВ, 17,6 эВ, 185,5 эВ и 183,2 эВ, которые соответствуют Hf 4f_5/2, Hf 4f_7/2, Zr 3d_3/2 и Zr 3d_5/2 соответственно [27]. Атомная концентрация вдоль профиля глубины на рис. S1e дополнительно подтверждает распределение трехслойной структуры Al₂O₃/HZO/p⁺ Si. Все вышеперечисленное подтверждает, что HZO пленка, выращенная нашей системой атомно-слойного осаждения (ALD), высококристаллична.

Перед изучением характеристики HZO/MoS₂ FeFET, ферроэлектрическое поведение Au/2 нм Al₂O₃/6 нм HZO/p⁺ Si затворного стека с использованием поляризация-напряжение измерения показано на рис. 2a. Четко, наши фабрикованные 6 нм HZO/2 нм Al₂O₃ конденсаторы демонстрируют поляризация-напряжение гистерезисные петли (измеренные при 1 кГц). В то же время, остаточная поляризация P_r и коэрцитивное напряжение V_c увеличиваются с увеличением максимального сканирующего напряжения, подразумевая, что P-V гистерезисные петли трансформируются из минорной петли в мажорную. По мере увеличения максимального сканирующего напряжения от 2 до 4 В, P_r достигает 0,66 мкКл/см², 0,86 мкКл/см² и 1,1 мкКл/см² соответственно, а V_c достигает 1,12 В, 1,9 В и 2,04 В соответственно. Извлеченные P_r и V_c в пределах 10⁵ выносливых DC циклов сканирования показаны на рис. 2b и c. Очевидно, значительные эффекты пробуждения и усталости в пределах 10⁵ циклов наблюдаются в 6 нм HZO/2 нм Al₂O₃ конденсаторе. Эффекты пробуждения и усталости могут быть атрибутированы диффузии и перераспределению кислородных вакансий под электрическим полем. Эффект усталости обычно ассоциируется с зарядовым захватом на дефектных центрах, связанных с кислородными вакансиями [28]. Гистерезисные поведения для PR_phase и бабочковидная петля для PR_ampl с использованием пьезореспонсивной силовой микроскопии (PFM) отображены на рис. S1b и c, указывая на переключение поляризации как функцию сканирующего смещающего напряжения. Учитывая разные контактные сопротивления между поляризация-напряжение измерением и пьезо отклик-напряжение измерением, измеренное V_c на рис. S1b и c не так согласовано со значениями, полученными на рис. 2a.

a P-V гистерезисные петли для HZO (6 нм)/Al₂O₃ (2 нм) конденсатора с разными диапазонами сканирующего напряжения. Зависимость (b) P_r и c V_c от циклирования для HZO (6 нм)/Al₂O₃ (2 нм) конденсатора с ± 4 В/1 кГц циклированием

Кроме того, наблюдается увеличение MW сопровождается с повышением диапазона сканирующего напряжения затвора (V_GS,range). Обычно поликристаллическая HZO пленка существует в мульти-доменном статусе [29], и распределение коэрцитивного поля этих доменов удовлетворяет Гауссову распределению. Таким образом, должна быть увеличенная зависимость от повышенного V_GS,range. Коэрцитивное поле E_C соответствует значению внешнего электрического поля, которое может уменьшить остаточную поляризацию до нуля. Следовательно, V_GS,_range, используемое для переключения поляризации в HZO пленке, становится больше с более высоким связанным коэрцитивным напряжением V_C. Это причина, почему поляризация-напряжение петли HZO пленки расширяются с большим V_GS,range, что продемонстрировано на рис. 2a. Другими словами, усиленная интенсивность поляризации и ферроэлектрическое переключение происходят с повышением V_GS,range, приводя к вышеупомянутым феноменам расширенного против часовой стрелки MW, производимого увеличенным V_GS,range. При V_GS,range = (−2, 2 В), MW почти исчезают и возникают почти безгистерезисные характеристики, что означает почти полную компенсацию между эффектами ферроэлектрического переключения и зарядовым захватом/дезапхватом.

Для дальнейшего исследования эффекта ферроэлектрического переключения, V_GS,range был непрерывно увеличен до (−6, 6 В) и (−6,5, 6,5 В). Измеренные I_DS-V_GS кривые HZO MoS₂ FeFET при V_GS,range = (−6, 6 В) и (−6,5, 6,5 В) показаны на рис. 3a. Аналогично, против часовой стрелки окно памяти увеличивается с расширенным V_GS,range. При V_GS,range = (−6,5, 6,5 В), против часовой стрелки MW выше 4 В и отношение вкл/выкл также увеличивается до 10⁷, что обусловлено усиленным переключением поляризации под большим внешним приложенным напряжением. В целом, механизм, лежащий в основе гистерезисных поведений, показанных в I_DS-V_GS кривых во время двунаправленного сканирования V_GS, — это сдвиг порогового напряжения, который может быть модифицирован преобладающими эффектами переключения поляризации, то есть эффектом NC [30-32], приводящим к против часовой стрелки гистерезису. Дальнейшее изучение улучшенных субпороговых характеристик проводилось на другом устройстве при сжатом V_GS,range. Измеренные I_DS-V_GS и извлеченные точечные SS-I_DS кривые другого устройства при V_GS,range = (−3, 3 В) нанесены на рис. 3b. Демонстрируется, что при V_GS,range = (−3, 3 В), HZO/MoS₂ FeFET демонстрирует SS_For = 51,2 мВ/декада и SS_Rev = 66,5 мВ/декада соответственно. То есть, SS суб-60 мВ/декада и MW 0,48 В могут быть одновременно достигнуты в HZO/MoS₂ FeFET при комнатной температуре, что будет подсказкой для различия между NCFET и FeFET.

Прямой ток (DC) тест HZO/MoS₂ FeFET когда дренное напряжение (V_DS) 0,5 В. a Сравнение между передаточными кривыми с 6 В и 6,5 В как максимум задне затворного напряжения. b Увеличенный вид передаточных кривых в интервале 0 до −2 В V_GS,range = (−3, 3 В). Точечный субпороговый наклон (SS) как функция дренного тока (I_DS) HZO/MoS₂ FeFET является (b) вставкой. Устройство демонстрирует SS_For = 51,2 мВ/декада

Как известно, в NCFET SS может быть меньше 60 мВ/декада при комнатной температуре из-за включения отрицательной емкости затвора диэлектрика (C_ins), которую можно получить через отрицательный наклон сегмента dP/dE < 0, индуцированный ферроэлектрической пленкой, внося вклад в коэффициент затворного стека (m) < 1. Механизм, лежащий в основе эффекта NC [33], — это поляризационное поле, генерируемое ферроэлектрической пленкой [34-38]. Экспериментально сообщается, что из-за неполного скринирования на интерфейсе ферроэлектрической пленки [39], остаточный поляризационный заряд может производить внутреннее электрическое поле через ферроэлектрическую пленку, которое имеет противоположное направление с внешне приложенным напряжением, приводя к перераспределению напряжения через затворной стек и усиливанию канального поверхностного потенциала, названному «эффектом усиления напряжения» [40-42]. Усиление напряжения обычно может быть разделено на две части, ускоренное изменение канального поверхностного потенциала и последующее усиленное значение, обеспечивающие крутое ВКЛ/ВЫКЛ переключение и улучшенное I_ON/I_OFF соответственно. Однако для FeFET есть другая история. Согласно концепции согласования емкостей между ферроэлектрической емкостью (C_FE) и металл-оксид-полупроводниковой емкостью (C_MOS) [43-45], когда |C_FE| > C_MOS, теоретическая общая емкость (C_total) положительна и система стабильна, что приводит к одинаковым поляризационным поведениям во время двунаправленного сканирования V_GS и стабильным безгистерезисным NCFET. Однако хорошее согласование, приводящее к улучшению SS и транскондуктанса, очень хитро достичь, так как оба C_MOS и C_FE являются очень нелинейными, зависящими от смещения конденсаторами. Кроме того, |C_FE| > C_MOS должно быть обеспечено для всего диапазона рабочих напряжений для избежания гистерезиса. Вместо этого, как только |C_FE| < C_MOS, теоретическая C_total отрицательна и система нестабильна, разделенное поляризационное поведение должно происходить во время двунаправленного переключения V_GS для поддержания C_total положительным, что может произвести против часовой стрелки гистерезис в FeFET для NVM применения. Здесь упоминается, что гистерезисные поведения являются последующим эффектом разделенного переключения поляризации, что означает, что ширина гистерезисного окна может быть легко модифицирована на основе концепции согласования емкостей, например, может быть манипулирована вариацией V_DS. С адекватным согласованием емкостей, даже с сильно сжатым V_GS,range = (−3, 3 В), HZO/MoS₂ FeFET все еще демонстрирует очевидное гистерезисное окно и крутое переключение SS_For = 51,2 мВ/декада в то же время, что дополнительно указывает на существование эффекта NC (ферроэлектрического поляризационного эффекта) в субпороговой области также. Хотя NCFET и FeFET различны, FeFET также может быть принят как логические устройства с сопоставимым меньшим MW, сохраняя глубокий суб-60 мВ/декаду SS и более высокое I_ON/I_OFF отношение также благодаря эффекту NC.

Влияние V_DS на ширину MW тщательно исследовали. I_DS-V_GS кривые на логарифмических шкалах под разными V_DS характеризованы на рис. S3. Показано, что при фиксированном V_GS,range = (−2, 2 В), значения V_GS, извлеченные при I_DS = 70 нА для двунаправленного сканирования V_GS, все сдвигаются в отрицательное направление. В то же время также демонстрируется, что вариация в прямом сканировании V_GS гораздо более очевидна, чем обратное сканирование, указывая на значительные феномены отрицательного DIBL. Следует отметить, что отрицательный эффект DIBL всегда происходит с эффектом NC [46, 47].

После вышеуказанного прямого тока (DC) теста HZO/MoS₂ FeFET, мы далее провели измеренные MW для разных P/E V_GS импульсов с шириной 10 мс на рис. 4a. MW определяется как максимальное изменение ΔV_TH после P/E V_GS импульсов. Во время импульсного приложения V_GS, другие выводы были зафиксированы на V_S = V_D = 0 В. Для чтения (R) операции, V_GS варьировался от −1 В до 1 В с V_D = 0,5 В и V_S = 0 В. Как показано на рис. 4a, извлеченные MW становятся больше, как P/E V_GS импульсы увеличиваются. Когда накладываемый P/E V_GS импульс составляет ±3 В, извлеченный MW составляет 0,1 В. Когда накладываемый P/E V_GS импульс составляет ±5,5 В, извлеченный MW составляет 0,275 В. По сравнению с против часовой стрелки MW 4 В и 0,48 В на рис. 3a и b, извлеченные MW после P/E V_GS импульса значительно снижены. Это возможно из-за более высокой плотности ловушечных состояний, индуцированных высокой влажностью в воздухе [48]. Таким образом, механизм зарядовым захватом/дезапхватом усиливается, и против часовой стрелки гистерезисная петля в конечном итоге уменьшается. Кроме того, мы изучали циклическую выносливость и удержание данных HZO/MoS₂ FeFET под P/E импульсами с высотой ±5,5 В на рис. 4b. Программный V_GS импульс был 10 мс шириной с V_S = V_D = 0 В. Рисунок 4b иллюстрирует измеренные MW как функцию циклов выносливости. Цикл выносливости формируется периодическими P/R/E/R импульсами задне затворного напряжения. Напряжения, приложенные к заднему затвору высотой P, E, R были +5,5 В, −5,5 В и 0 В соответственно. И ширина импульса P и E была 10 мс. Четко, MW 0,3 В может быть сохранен без значительной деградации после 10³ P/E циклов. По мере увеличения числа циклов выносливости, MW увеличивается до 0,38 В после 10 циклов и затем уменьшается обратно до 0,28 В после 600 циклов. Первое расширение MW называется эффектом пробуждения, а последующее сокращение MW — эффектом усталости. Эффект пробуждения соответствует депиннингу доменных стенок, приводящему к увеличению переключаемых поляризационных доменов HZO пленки [49]. Эффект усталости соответствует вновь введенным зарядам, которые закрепляют доменные стенки после большого числа P/E циклов [50]. Удержание данных при комнатной температуре показано на рис. 4c. Здесь деградация MW пренебрежимо мала после 10⁴ с. Следовательно, MW около 0,3 В может ожидаться устойчивым более 10 лет по пунктирным линиям экстраполяции. Как представлено на рис. 4d, устройство стабильно после 10³ циклов под P/E импульсами с высотами ±3 В. Стабильность HZO/MoS₂ FeFET показывает великую перспективу применений в нелетучей памяти технологии.

Память характеристики HZO/MoS₂ FeFET под P/E импульсами. a Извлеченные MW (MW) под P/E импульсами с высотами ±3 В, ±4 В, ±5 В, ±5,5 В и ±6 В. b Измерения выносливости под P/E импульсными условиями. c Характеристика удержания HZO/MoS₂ FeFET. d Выносливость HZO/MoS₂ FeFET для 10³ циклов под P/E импульсами с высотами ±3 В

Сравнение фигур-мерит с FeFET-основанными устройствами, комбинирующими MoS₂ и ферроэлектрические затворные диэлектрики, предоставлено в Таблице 1. Здесь перечислены структура устройства, остаточная поляризация, коэрцитивное электрическое поле, направление гистерезисной петли, MW, рабочее напряжение, циклы выносливости и время удержания. Очевидно, что наше фабрикованное устройство демонстрирует самый тонкий ферроэлектрический слой 6 нм HZO и самое низкое рабочее напряжение по сравнению с другими работами [12-18], что важно для будущего 2 нм или 3 нм процессного узла задней линии (BEOL) памяти. Масштабируя толщину ферроэлектрического слоя, MW около 0,1 В был достигнут под низким рабочим напряжением ±3 В. Такое низкое рабочее напряжение может быть атрибутировано внутренним характеристикам HZO слоя по сравнению с их аналогами, такими как P(VDF-TrFE) или HfO₂, которые имеют гораздо большую толщину. Кроме того, наше устройство обладает более низкой остаточной поляризацией P_r 1,1 мкКл/см² по сравнению с другими сообщенными FeFETs. Быстрый распад потери удержания в FeFET обусловлен существованием деполяризационного поля E_dep, которое исходит от неполной компенсации заряда из-за существования Al₂O₃ слоя. Здесь E_dep прямо пропорционален остаточной поляризации P_r [51]. Таким образом, высокое E_c и низкое P_r делают отношение E_dep/E_c в MoS₂/HZO FeFET намного меньшим, приводя к намного меньшей потере удержания, связанной с эффектом деполяризационного поля. Хотя характеристики удержания MoS₂ FeFET на основе HZO и P(VDF-TrFE) обе около 10⁴ с, P(VDF-TrFE) пленка должна быть 150 нм [17].

Заключения

В заключении, мы исследовали малослойные, MoS₂-основанные ферроэлектрические транзисторы памяти с использованием HZO задне затворного диэлектрика. Наши фабрикованные устройства демонстрируют против часовой стрелки гистерезис, индуцированный ферроэлектрической поляризацией. Кроме того, наш HZO/MoS₂ ферроэлектрический транзистор памяти продемонстрировал отличные устройственные характеристики: высокое отношение тока вкл/выкл более 10⁷ и против часовой стрелки MW 0,1 В при P/E напряжении 3 В, который имеет выносливость (10³ циклов) и удержание (10⁴ с) производительность. Мы таким образом считаем, что результаты наших MoS₂-основанных нелетучих ферроэлектрических транзисторов памяти демонстрируют перспективные перспективы для будущего 2D низкоэнергетических нелетучих применений памяти.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что материалы, данные и ассоциированные протоколы доступны читателям, и все данные, использованные для анализа, включены в эту статью.