Использование переключаемых дипейлов кислородных вакансий для надежных ZrO₂ ферроэлектрических полевых транзисторов

Аннотация

В этой работе исследуются влияния последепозиционного быстрого термического отжига (RTA) и толщины ZrO₂ на поляризацию P и электрохимические характеристики конденсаторов TaN/ZrO₂/Ge и FeFET соответственно. После RTA в диапазоне 350–500 °C конденсаторы TaN/ZrO₂/Ge с 2,5 и 4 нм толщиной аморфного ZrO₂ демонстрируют стабильную поляризацию P. Предлагается, что ферроэлектрическое поведение исходит от миграции дипейлов, формируемых кислородными вакансиями и отрицательными зарядами под действием напряжения. FeFET с 2,5 нм, 4 нм и 9 нм ZrO₂ демонстрируют достойное окно памяти (MW) с импульсами программирования/стирания 100 нс. FeFET с 4-нм ZrO₂ имеет значительно улучшенные характеристики усталости и удержания по сравнению с приборами с 2,5 нм и 9 нм ZrO₂. Характеристики удержания ZrO₂ FeFET могут быть улучшены с повышением температуры RTA. MW ~ 0,46 В экстраполируется к сохранению более 10 лет для прибора с 4 нм ZrO₂.

Предыстория

Легированные поли-HfO₂ ферроэлектрические полевые транзисторы (FeFET) привлекли значительный интерес в приложениях невидимой памяти (NVM) благодаря их совместимости с CMOS процессом [1]. Хотя достойная электрохимическая характеристика продемонстрирована в легированных HfO₂-базированных FeFET [2], некоторые фундаментальные ограничения все еще мешают их практическим приложениям, включая высокий термический бюджет 500 °C отжига, необходимый для формирования орторомбических кристаллических фаз, и нежелательный утеточный ток вдоль границ зерен при уменьшении толщины ферроэлектрика. Ферроэлектричество широко наблюдалось в различных материалах, например, Sb₂S₃ нанопроволоках [3], GaFeO₃ пленках [4], LaAlO₃-SrTiO₃ пленках [5] и аморфном Al₂O₃, содержащем нанокристаллы [6, 7]. Недавно мы сообщали о FeFET с частично кристаллизованным ZrO₂ гейтовым изолятелем, функционирующем как NVM и аналоговый синапс [8]. Хотя ZrO₂ транзисторы демонстрировали достойную электрохимическую характеристику с меньшей толщиной по сравнению с сообщенными легированными HfO₂, базовый механизм ферроэлектричества в пленке ZrO₂ остается неясным. Критически важно и важно прояснить происхождение переключаемой поляризации P для оценки пределов характеристик ZrO₂ FeFET.

В этой работе фабрикуются TaN/ZrO₂/Ge FeFET с 2,5 нм, 4 нм и 9 нм толщиной изоляторов. Переключаемая P в конденсаторе TaN/ZrO₂/Ge предполагается исходящей от миграции напряжением-управляемых кислородных вакансий и отрицательных зарядов. Исследуются влияния толщины ZrO₂ и последепозиционного быстрого термического отжига (RTA) на P конденсаторов TaN/ZrO₂/Ge и окно памяти (MW), выносливость и характеристики удержания FeFET.

Методы

FeFET с ZrO₂ гейтовым изолятелем фабриковались на 4-дюймовой n-Ge(001) подложке с использованием похожего процесса в [8, 9]. После предгейтовой очистки в разбавленном HF (1:50) растворе, Ge подложки загружали в камеру атомно-слойного осаждения (ALD). Пленки ZrO₂ толщиной 2,5 нм, 4 нм и 9 нм осаждались при 250 °C с использованием TDMAZr и H₂O как предшественников Zr и O соответственно. 100-нм толстый TaN гейтовый электрод осаждался реактивным спуттерингом. После формирования гейтового электрода, источник/сток (S/D) области имплантировали BF₂⁺ с дозой 1 × 10¹⁵ см⁻² и энергией 20 кэВ. Всего 15 нм никеля (Ni) S/D контактов формировались процессом lift-off. Наконец, RTA при 350, 450 и 500 °C в течение 30 с проводился.

Рис. 1а показывает схему фабрикованного транзистора. Рис. 1б–в показывает изображения передаточной электронной микроскопии (TEM) стеков TaN/ZrO₂/Ge с 2,5, 4 и 9 нм толщиной ZrO₂ соответственно. Все образцы прошли RTA при 500 °C в течение 30 с. Образец 2,5 нм ZrO₂ остается изоляционной пленкой после отжига. Для 4 нм образца, хотя наблюдаются некоторые нанокристаллы, ZrO₂ остается аморфным слоем. В то время как полная кристаллизация происходит для 9 нм пленки ZrO₂. Особенно, интерфейсный слой (IL) GeO_x существует между ZrO₂ и Ge канальной областью, хотя он слишком тонок для наблюдения на TEM изображениях.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает кривые P vs. напряжение (V) для конденсаторов TaN/ZrO₂/Ge с разной толщиной ZrO₂ и разными температурами отжига. Сплошные линии разными цветами представляют малые петли с различными диапазонами сканирующего напряжения (V_range). Частота измерения 1 кГц. Приборы с 2,5 нм и 4 нм ZrO₂ могут демонстрировать стабильное ферроэлектричество после RTA при 350 °C. Рис. 3 строит остаточную P (P_r) как функцию диапазона сканирующего V для конденсаторов, отожженных при различных температурах.

Рис. 3 показывает сравнение P_max как функции V_range для конденсаторов TaN/ZrO₂/Ge с разной толщиной ZrO₂ и различными температурами RTA. Для приборов с 4 нм ZrO₂, по мере увеличения температуры отжига с 350 до 450 °C, больший V_range требуется для получения фиксированного P_max. Это приписывается тому, что более высокая температура отжига производит более толстые интерфейсные слои (IL) между интерфейсами Ge/ZrO₂ и ZrO₂/TaN, приводя к большей единой эквивалентной толщине емкости (CET). Для конденсаторов с 2,5 нм ZrO₂, образец с 500 °C отжигом имеет более низкий V_range, чем образец с 350 °C отжигом при том же P_max. Хотя IL становятся толще с повышением температуры RTA, некоторое ZrO₂ потребляется кислородным скидыванием и интердиффузией на интерфейсе. Для очень тонкого ZrO₂ прибора второе доминирует. По сравнению с 2,5 нм ZrO₂ конденсатором, гораздо больший V_range требуется для достижения похожего P_max. Однако 9 нм ZrO₂ конденсатор не демонстрирует более высокий V_range по сравнению с 4 нм прибором. Это обусловлено кристаллическим ZrO₂, которое имеет намного более высокое κ значение, чем аморфная пленка, что значительно снижает CET 9 нм прибора.

Рис. 4а показывает извлеченную эволюцию положительной и отрицательной P_r, обозначенных \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \) и \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \) соответственно, для 4 нм толстых ZrO₂ конденсаторов с RTA при разных температурах на протяжении 10⁶ циклов сканирования, измеренных при 1 кГц. Приборы, отожженные при 350 °C и 450 °C, демонстрируют очевидный wake-up эффект. Никакого wake-up или imprint не наблюдается для 4 нм ZrO₂ ферроэлектрического конденсатора, подвергшегося отжигу при 500 °C. Рис. 4б сравнивает P_r как функцию циклов сканирования для приборов с разной толщиной ZrO₂. 4 нм ZrO₂ ферроэлектрический конденсатор достигает улучшенной стабильности P_r выносливости по сравнению с 2,5 нм и 9 нм приборами в течение 10⁶ теста выносливости.

Переключаемая P наблюдается в аморфной ZrO₂ емкости, и заключается, что механизм должен отличаться от сообщенного легированного поли-HfO₂ ферроэлектрических пленок. Мы предлагаем, что базовый механизм ферроэлектрического поведения связан с дипейлами кислородных вакансий. Известно, что при осадке металла TaN, Ta кислородные скидывающие слои увеличат концентрацию кислородных вакансий внутри ZrO₂ [10]. Кислородные вакансии также появляются на интерфейсе ZrO₂/Ge. Рис. 5 показывает схемы переключаемой P в TaN/ZrO₂/Ge, исходящей от миграции кислородных вакансий и отрицательных зарядов для формирования положительных и отрицательных дипейлов. Спекулируется, что отрицательные заряды в ZrO₂ связаны с Zr вакансией [11], что похоже на те в пленке Al₂O₃ [12]. Миграция напряжением-управляемых кислородных вакансий широко демонстрировалась в резистивных оперативных памяти [13, 14]. Особенно, это первая демонстрация трехконтактных невидимых транзисторов, доминирующих напряжением-управляемыми кислородными вакансиями.

P-V гистерезис позволяет ZrO₂ FeFET получать большое и стабильное MW для встроенных NVM (eNVM) приложений. Рис. 6 показывает измеренные I_DS-V_GS кривые 2,5, 4 и 9 нм ZrO₂ FeFET для двух поляризационных состояний с 1 мкс условиями программирования/стирания (P/E). Транзисторы отожжены при 500 °C. Программирование (стирание) достигается применением положительных (отрицательных) напряженных импульсов к гейту ZrO₂ FeFET, чтобы повысить (понизить) его пороговое напряжение (V_TH). V_TH определяется как V_GS при 100 нА·W/L, и MW определяется как максимальное изменение V_TH. Все FeFET с различной толщиной ZrO₂ имеют MW выше 1 В с 1 мкс P/E импульсами. Для достижения похожего MW, более высокое напряжение стирания необходимо для 9 нм ZrO₂ FeFET по сравнению с другими двумя транзисторами. Видно, что большая по величине отрицательная стирания V_GS требуется для достижения примерно равного сдвига I-V относительно начальной кривой по сравнению с программированием V_GS. Спекулируется, что кислородные вакансии, вносящие вклад в P, в основном исходят из реакции между TaN и ZrO₂, как начальное состояние прибора на Рис. 5а. При применении положительного V_GS (программирование) кислородные вакансии диффундируют и накапливаются в слое рядом с интерфейсом ZrO₂/Ge (Рис. 5б), где распределение дипейлов кислородных вакансий значительно отличается от начального состояния. Поэтому легко сдвинуть I-V кривую к более высокому |V_TH| с положительным V_GS. Однако при применении отрицательного V_GS (стирание) обратная диффузия кислородных вакансий возвращает гейтовый стек в его исходное состояние (Рис. 5в). Поэтому величина отрицательной стирания V_GS должна быть увеличена для достижения эквивалентного сдвига I-V к положительному программированию V_GS.

По мере уменьшения ширины P/E импульса до 100 нс, ZrO₂ FeFET все еще демонстрируют достойное MW, как показано на Рис. 7а. Особенно, транзистор с 2,5 нм ZrO₂, отожженный при 350 °C, достигает MW 0,28 В. Рис. 7б строит MW vs. номер цикла для FeFET с различной толщиной ZrO₂ с 100 нс условием P/E импульса. Прибор с 4 нм ZrO₂ достигает значительно улучшенной выносливости по сравнению с 2,5 нм и 9 нм ZrO₂ FeFET, которые демонстрируют очевидный wake-up эффект и усталость в пределах 10³ циклов.

Наконец, тестирование удержания ZrO₂ FeFET характеризуется и показано на Рис. 8 и 9. Рис. 8а показывает эволюцию I_DS-V_GS кривых для двух поляризационных состояний 4 нм ZrO₂ FeFET, прошедших RTA при 350, 450 и 500 °C. Захват заряда приводит к снижению приборов со временем. Как показано на Рис. 8б, характеристики удержания приборов могут быть улучшены с повышением температуры RTA. MW ~ 0,46 В экстраполируется к сохранению более 10 лет. Рис. 9 сравнивает характеристики удержания FeFET с разной толщиной ZrO₂. 4 нм ZrO₂ прибор имеет улучшенную характеристику удержания по сравнению с транзисторами с 2,5 и 9 нм толщиной ZrO₂.

Заключение

Подводя итог, аморфные ZrO₂ ферроэлектрические конденсаторы экспериментально продемонстрированы, и ферроэлектричество предполагается обусловленным миграцией напряжением-управляемых дипейлов, формируемых кислородными вакансиями и отрицательными зарядами. FeFET с 2,5 нм, 4 нм и 9 нм ZrO₂ имеют MW выше 1 В с 1 мкс P/E импульсами. Улучшенные характеристики усталости и удержания получены в 4 нм толстом ZrO₂ FeFET по сравнению с приборами с 2,5 нм и 9 нм ZrO₂. Тест удержания указывает, что 4 нм ZrO₂ транзистор сохраняет экстраполированное 10-летнее MW ~ 0,46 В.