Стабильное ферроэлектрикоподобное поведение в 3,6-нм аморфном Al₂O₃ обеспечивает масштабируемые много затворные NVFET

Аннотация

Традиционные ферроэлектрические устройства страдают от отсутствия масштабируемости. Легированные тонкие пленки HfO₂ перспективны для решения проблемы масштабирования, но сталкиваются с высоким током утечки и проблемами однородности из-за поликристаллической природы. Впервые продемонстрировано стабильное ферроэлектрикоподобное поведение в 3,6-нм толстой аморфной пленке Al₂O₃. Устройства на аморфном Al₂O₃ высокомасштабируемы, что позволяет создавать много затворные невидимые полевые транзисторы (NVFET) с нанометровым шагом плавников. Они также обладают преимуществами низкой температуры процесса, высокой частоты (~ГГц), широкого окна памяти и долгой выносливости, что указывает на большой потенциал в VLSI системах. Предлагается переключаемая поляризация (P), индуцируемая напряжением-модулированными диполями кислородных вакансий.

Предыстория

Ферроэлектрическая оперативная память (FeRAM) на основе традиционных перовскитных ферроэлектриков (например, PZT) была одной из коммерческих невидимых памяти (NVM) [1], хотя она не может быть масштабирована и не совместима с CMOS. Ферроэлектричество широко наблюдалось в различных материалах, таких как свиная аортальная стенка [2], нанопроволоки Sb₂S₃ [3], пленки GaFeO₃ [4], легированные поли-HfO₂ пленки [5], нанокристаллические гидрок시아патитные пленки [6] и пленки LaAlO₃-SrTiO₃ [7]. Среди этих материалов легированные HfO₂ пленки привлекли особое внимание для применения в NVM благодаря своей совместимости с CMOS процессом. Но поликристаллическая структура неизбежно для генерации ферроэлектричества в легированных HfO₂, что создало препятствия для применения в устройствах: 1) она несовместима с gate-last обработкой из-за теплового бюджета 500 °C, необходимого для формирования орторомбических кристаллических фаз [8]; 2) потребление мощности индуцируется нежелательным током утечки вдоль границ зерен, который экспоненциально увеличивается с уменьшением толщины ферроэлектрика. Недавно теоретическое исследование предложило, что дополнительное ферроэлектричество в толстых поли-HfO₂ (>5 нм) может исходить из дальнодействующих корреляций в собрании электрических диполей, созданных кислородными вакансиями [9]. Механизм захвата/освобождения дефектных зарядов наблюдался для получения ферроэлектрикоподобного поведения в 5-нм толстой аморфной Al₂O₃ для многосостояничной памяти, которая, однако, страдала от очень низкой частоты захвата/освобождения (например, ~500 Гц) [10].

В этой работе стабильное ферроэлектрикоподобное поведение продемонстрировано в 3,6-нм толстой аморфной пленке Al₂O₃, где переключаемая поляризация (P) предлагается индуцируемой напряжением-модулированными диполями кислородных вакансий. Аморфная пленка Al₂O₃ обладает преимуществами низкой температуры процесса и рабочей частоты до ~ГГц, что позволяет создавать много затворные NVFET с нанометровым шагом плавников. Продемонстрирована память Al₂O₃ NVFET с импульсами программирования/стирания (P/E) шириной 100 нс и выносливостью более 10⁶ циклов P/E. Также изучены влияния электродов и толщины пленки на P в Al₂O₃ конденсаторах. Аморфные невидимые устройства показывают многообещающее будущее в VLSI памяти.

Методы

Аморфные пленки Al₂O₃ наращивали на подложках Si(001), Ge(001) и TaN/Si методом атомно-слоевого осаждения (ALD). TMA и H₂O пар использовались как предшественники Al и O соответственно. Во время осаждения температура подложки поддерживалась при 300 °C. Различные верхние металлические электроды, включая TaN/Ti, TaN и W, осаждали на поверхностях Al₂O₃ реактивным спуттерингом. Конденсаторы с различными электродами изготавливали литографическим паттернированием и сухой травкой. Быстрая термическая обработка (RTA) при 350 °C в течение 30 с выполнялась. NVFET со стеком затвора TaN/Al₂O₃ изготавливали на Ge(001). После формирования затвора области стока/истока (S/D) имплантировали BF₂⁺ с дозой 1 × 10¹⁵ см⁻² и энергией 20 кэВ, а затем 20-нм никелевые электроды S/D формировали методом lift-off. На рис. 1a и b показаны схемы изготовленных Al₂O₃ конденсатора и p-канального NVFET. Существует промежуточный слой (IL) между электродом и пленкой Al₂O₃. На рис. 1c и d показаны HRTEM изображения стеков TaN/Al₂O₃/Ge с различной толщиной аморфного Al₂O₃ (t_AlO) после RTA при 350 °C.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 показаны измеренные характеристики P vs. напряжения V для аморфных Al₂O₃ конденсаторов с различными t_AlO и различными верхними и нижними электродами. Частота измерения 1 кГц. Как показано на рис. 2a-c, при фиксированных 3,6 нм t_AlO, конденсатор TaN/Al₂O₃/Ge достигает более высокой насыщенной P (P_sat) по сравнению с устройствами с TaN/Ti и W верхними электродами. Ферроэлектрикоподобное поведение сильно коррелирует с интерфейсами, и предлагается, что формирование TaAlOₓ IL между TaN и Al₂O₃ производит больше кислородных вакансий, способствуя более сильной переключаемой P, по сравнению с TiAlOₓ и WAlOₓ IL. P-V кривые на рис. 2d показывают, что конденсатор TaN/Al₂O₃/TaN имеет гораздо более высокий P_sat по сравнению с TaN/Al₂O₃/Ge, что объясняется тем, что двойные TaAlOₓ IL обеспечивают более высокую концентрацию кислородных вакансий. В то время как P_sat значительно ниже от того с Si нижним электродом (рис. 2e), по сравнению с Ge электродом. Этот результат указывает на то, что качество интерфейса Al₂O₃/Si лучше, то есть меньше кислородных вакансий, по сравнению с устройством на Ge подложке. На рис. 2f показаны P-V кривые конденсатора TaN/Al₂O₃(6 нм)/Ge, демонстрирующего более высокое V_c и почти идентичный P_sat по сравнению с устройством с 3,6-нм толстой пленкой Al₂O₃ на рис. 2b. Замечено, что причина незакрытых P-V петель заключается в наличии утечки. Сообщалось, что большое смещение при нулевом электрическом поле всегда возникает при большом поле и всегда постепенно исчезает при меньшем диапазоне сканирования V [11, 12].

На рис. 2g и h показана извлеченная эволюция положительных и отрицательных остаточных P (P_r) и коэрцитивных V (V_c) соответственно, за 10⁴ циклов сканирования для конденсатора TaN/Al₂O₃/Ge. Не наблюдается wake-up, imprint или усталость. V_c устройства ~1,8 В, что указывает на то, что E в пленке Al₂O₃ составляет 4~6 МВ/см и в IL может превышать 8 МВ/см, что достаточно высоко для управления кислородными вакансиями [13, 14]. P_sat устройств варьируется от 1 до 5 мКл/см², что соответствует разумной концентрации кислородных вакансий в диапазоне 3~15×10¹² см⁻², предполагая заряд плюс два.

Обсуждается базовый механизм ферроэлектрикоподобного поведения, связанного с кислородными вакансиями в Al₂O₃ устройствах. Миграция напряжением-управляемых кислородных вакансий широко демонстрировалась в резистивных устройствах оперативной памяти [15, 16]. На рис. 3 показаны схемы переключаемой P в TaN/Al₂O₃/Ge, которая исходит от сегрегации напряжением-модулированных кислородных вакансий и отрицательных зарядов для формирования электрических диполей. Разумно предположить, что подвижные кислородные вакансии в основном возникают из формирования TaAlOₓ IL и находятся вблизи верхнего интерфейса в начальном состоянии (рис. 3a). Рис. 3b и c показывают, как формируются положительные и отрицательные P соответственно, с модуляцией диполей кислородной вакансии и отрицательного заряда под приложенным напряжением. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) Al₂O₃/Ge и (Ti, TaN, и W)/Al₂O₃/Ge образцов измерена и показана на рис. 4. Для всех металл/Al₂O₃/Ge образцов формируется металлический оксидный IL между металлом и Al₂O₃, который предлагается как резервуар кислородных ионов и вакансий, что согласуется с Ref. [17].

Для характеристики электрической производительности Al₂O₃ NVFET как NVM, программирование (стирание) достигается приложением положительных (отрицательных) напряженных импульсов к затволу, чтобы поднять (понизить) его пороговое напряжение (V_TH). На рис. 5a показано, как линейные-регионные передаточные характеристики Al₂O₃ NVFET смещаются относительно начальной кривой I_DS-V_GS, измеренной с ±4 В программирования (стирания) напряжениями с шириной импульса 100 нс. Здесь V_TH определяется как V_GS при 100 нА·W/L, а MW определяется как максимальное изменение V_TH. Al₂O₃ NVFET достигает MW 0,44 В, хотя аморфная пленка Al₂O₃ имеет меньший P_r, чем сообщаемые легированные HfO₂ пленки [5, 8]. Замечено, что высокая рабочая частота до 10 МГц Al₂O₃ NVFET памяти указывает на то, что переключаемая P в Al₂O₃ исходит от миграции напряжением-управляемой кислородной вакансии для формирования диполей, а не от захвата/освобождения дефектных зарядов. Чередующиеся импульсы программирования и стирания применялись к Al₂O₃ устройствам для дальнейшего изучения выносливости устройства. На рис. 5b показаны графики V_TH vs. номера P/E цикла, показывающие, что стабильный MW может быть сохранен без значительной деградации более 10⁶ P/E циклов для 3,6-нм толстой Al₂O₃ NVFET.

Особенно, ферроэлектрикоподобное поведение, наблюдаемое в аморфных Al₂O₃ устройствах, может быть расширено на универсальные аморфные оксиды, например, оксид гафния (HfO₂) и оксид циркония (ZrO₂).

Заключения

Стабильное ферроэлектрикоподобное поведение впервые реализовано в конденсаторах с тонким аморфным изолятелем Al₂O₃. Переключаемая P в аморфных Al₂O₃ конденсаторах продемонстрирована P-V петлями и тестом NVFET. Ферроэлектрикоподобное поведение предлагается исходящим от интерфейсных кислородных вакансий и ионных диполей. 3,6-нм толстый Al₂O₃ NVFET достигает MW 0,44 В и выносливости более 10⁶ циклов при ±4 В и 100 нс условиях P/E. Всего, эта работа открыла новый мир для аморфных оксидных ферроэлектрических устройств, которые перспективны для много затворных (плавниковых, нанопроволочных или нанолистовых) NVFET с потенциально нано-масштабируемым шагом плавников в VLSI системах.