Ferroelektrische ZrO2-Feldeffekttransistoren, die durch die schaltbaren Sauerstoff-Leerstellen-Dipole ermöglicht werden

Hintergrund

Dotiertes Poly-HfO₂ Ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) haben aufgrund ihrer CMOS-Prozesskompatibilität großes Interesse in den Anwendungen nichtflüchtiger Speicher (NVM) geweckt [1]. Obwohl die anständige elektrische Leistung in dotiertem HfO₂ . nachgewiesen wurde, -basierten FeFETs [2], beeinträchtigen einige grundlegende Einschränkungen ihre praktische Anwendung noch immer, einschließlich des hohen thermischen Budgets von 500 °C Glühen, das zur Bildung orthorhombischer Kristallphasen erforderlich ist, und des unerwünschten Leckstroms entlang der Korngrenzen bei der Verkleinerung der ferroelektrischen Dicke. Ferroelektrizität wurde in vielen verschiedenen Materialien beobachtet, z. B. Sb₂ S₃ Nanodrähte [3], GaFeO₃ Film [4], LaAlO₃ -SrTiO₃ Film [5] und amorphes Al₂ O₃ mit Nanokristallen [6, 7]. Kürzlich haben wir über FeFETs mit teilweise kristallisiertem ZrO₂ . berichtet Gate-Isolator als NVM und analoge Synapse [8]. Obwohl das ZrO₂ Transistoren zeigten eine anständige elektrische Leistung bei geringerer Dicke im Vergleich zu dem berichteten dotierten HfO₂ , der zugrunde liegende Mechanismus für die Ferroelektrizität in ZrO₂ Film bleibt unklar. Es ist kritisch und wichtig, den Ursprung der schaltbaren Polarisation P . aufzuklären zur Bewertung der Leistungsgrenze von ZrO₂ FeFETs.

In dieser Arbeit wird TaN/ZrO₂ /Ge-FeFETs mit 2,5 nm, 4 nm und 9 nm dicken Isolatoren werden hergestellt. Das umschaltbare P in TaN/ZrO₂ Es wird vermutet, dass der /Ge-Kondensator aus der Wanderung von spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen stammt. Die Auswirkungen von ZrO₂ Dicke und das Post-Rapid Thermal Annealing (RTA) auf der P von TaN/ZrO₂ /Ge und das Speicherfenster (MW), die Lebensdauer und die Retentionseigenschaften von FeFETs werden untersucht.

Methoden

FeFETs mit ZrO₂ Gate-Isolator wurden auf 4-in. n-Ge(001)-Substrat unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens in [8, 9]. Nach der Pre-Gate-Reinigung in der verdünnten HF-Lösung (1:50) wurden Ge-Wafer in eine Atomlagenabscheidungskammer (ALD) geladen. ZrO₂ Filme mit Dicken von 2,5 nm, 4 nm und 9 nm wurden bei 250 °C unter Verwendung von TDMAZr und H₂ . abgeschieden O als Vorläufer von Zr bzw. O. Durch reaktives Sputtern wurde eine 100 nm dicke TaN-Gate-Elektrode abgeschieden. Nach der Gateelektrodenbildung wurden die Source/Drain-(S/D)-Gebiete durch BF₂ . implantiert ⁺ bei einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² und eine Energie von 20 keV. Insgesamt 15 nm Nickel (Ni) S/D-Kontakte wurden durch einen Abhebeprozess gebildet. Schließlich wurde die RTA bei 350, 450 und 500 °C für 30 s durchgeführt.

Abbildung 1 a zeigt das Schema des hergestellten Transistors. Abbildung 1b–d zeigt die Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Aufnahmen von TaN/ZrO₂ /Ge-Proben mit 2,5, 4 und 9 nm dickem ZrO₂ , bzw. Alle Proben wurden 30 Sekunden lang einer RTA bei 500 °C unterzogen. Das 2,5 nm ZrO₂ Probe bleibt nach dem Tempern ein Isolatorfilm. Für die 4 -nm-Probe wurden zwar einige Nanokristalle beobachtet, ZrO₂ bleibt eine amorphe Schicht. Während für das 9 nm ZrO₂ . eine vollständige Kristallisation auftritt Film. Insbesondere eine Grenzschicht (IL) aus GeO_x existiert zwischen dem ZrO₂ und Ge-Kanalbereich, obwohl er zu dünn ist, um in den TEM-Bildern beobachtet zu werden.

a Schema des hergestellten TaN/ZrO₂ /GeFeFET. b , c , und d HRTEM-Bilder von TaN/ZrO₂ /Ge-Stapel mit unterschiedlichem ZrO₂ Dicken. Die Proben wurden 30 s lang einer RTA bei 500 °C unterzogen

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt das P vs. Spannung (V ) Kurven für TaN/ZrO₂ /Ge-Kondensatoren mit unterschiedlichem ZrO₂ Dicken und unterschiedliche Glühtemperaturen. Die durchgezogenen Linien mit unterschiedlichen Farben stellen die kleineren Schleifen mit verschiedenen Wobbelspannungsbereichen dar (V _Bereich ). Die Messfrequenz beträgt 1 kHz. Die 2,5 nm und 4 nm ZrO₂ Geräte können nach einem RTA bei 350 °C eine stabile Ferroelektrizität aufweisen. Abbildung 3 zeigt den Rest P (P _r ) als Funktion des geschwungenen V Bereichskurven für Kondensatoren, die bei verschiedenen Temperaturen geglüht wurden.

Gemessener P vs. V Eigenschaften von TaN/ZrO₂ /Ge-Kondensatoren mit unterschiedlichem ZrO₂ Dicken und verschiedene Glühtemperaturen

Vergleich von P _max als Funktion von V _Bereich für TaN/ZrO₂ /Ge-Kondensatoren mit unterschiedlichem ZrO₂ Dicken und verschiedene Glühtemperaturen

Abbildung 3 zeigt den Vergleich von P _max als Funktion von V _Bereich für TaN/ZrO₂ /Ge-Kondensatoren mit den unterschiedlichen ZrO₂ Dicken und die verschiedenen RTA-Temperaturen. Für das 4 nm ZrO₂ Geräten, wenn die Glühtemperatur von 350 auf 450 °C ansteigt, wird ein größeres V _Bereich ist erforderlich, um ein festes P zu erhalten _max . Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass die höhere Glühtemperatur die dickeren Grenzflächenschichten (ILs) zwischen bei Ge/ZrO₂ . erzeugt und ZrO₂ /TaN-Schnittstellen, was zu einer größeren einheitlichen kapazitätsäquivalenten Dicke (CET) führt. Für das 2,5 nm ZrO₂ Kondensatoren hat die Probe mit 500 °C Glühen eine niedrigere V _Bereich als die 350 °C-Glühprobe mit dem gleichen P _max . Obwohl die ILs mit der erhöhten RTA-Temperatur dicker werden, sind einige ZrO₂ wurde durch das Einfangen von Sauerstoff und die Interdiffusion an der Grenzfläche verbraucht. Für das sehr dünne ZrO₂ Gerät, letzteres ist dominant. Im Vergleich zu 2,5 nm ZrO₂ Kondensator, ein viel größeres V _Bereich ist erforderlich, um ein ähnliches P zu erreichen _max . Das 9 nm ZrO₂ Kondensator weist nicht die höhere V . auf _Bereich im Vergleich zum 4 nm-Gerät. Dies liegt am Kristall ZrO₂ das hat einen viel höheren κ Wert als der amorphe Film, was die CET des 9 nm-Bauelements erheblich reduziert.

Abbildung 4a zeigt die extrahierte Entwicklung des positiven und negativen P _r , bezeichnet mit \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \) bzw. \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \) für die 4 nm- dickes ZrO₂ Kondensatoren mit RTA bei verschiedenen Temperaturen über 10 ⁶ Wobbelzyklen gemessen bei 1 kHz. Geräte, die bei 350 °C und 450 °C getempert wurden, zeigen den offensichtlichen Wake-up-Effekt. Für das 4 nm ZrO₂ . wird kein Aufwachen oder Abdruck beobachtet Ferroelektrischer Kondensator wurde bei 500 °C geglüht. Abbildung 4b vergleicht das P _r als Funktion der Sweep-Zyklen für die Geräte mit den unterschiedlichen ZrO₂ Dicken. Das 4 nm ZrO₂ ferroelektrischer Kondensator erreicht verbesserte Stabilität von P _r Ausdauer im Vergleich zu den 2,5 nm- und 9 nm-Geräten während der 10 ⁶ Dauertest.

a P _r vs. die Anzahl der ms-Impuls-Sweep-Zyklen für 4 nm ZrO₂ Kondensatoren mit unterschiedlichen RTA-Temperaturen. b P _r vs. Anzahl der ms-Impuls-Sweep-Zyklen für das ZrO₂ Kondensatoren nach dem Glühen bei 500 °C

Das Umschalten P wird in amorphem ZrO₂ . beobachtet Kapazität, und es wird gefolgert, dass sich der Mechanismus von dem des berichteten dotierten Poly-HfO₂ . unterscheiden muss ferroelektrische Filme. Wir schlagen vor, dass der zugrunde liegende Mechanismus für das ferroelektrische Verhalten mit den Sauerstoffleerstellendipolen zusammenhängt. Es ist allgemein bekannt, dass die Ta-Sauerstofffängerschichten beim Abscheiden von TaN-Metall die Sauerstoffleerstellenkonzentration im Inneren von ZrO₂ . erhöhen [10]. Sauerstoff-Leerstellen treten auch am ZrO₂ . auf /Ge-Schnittstelle. Abbildung 5 zeigt den Schaltplan des schaltbaren P in TaN/ZrO₂ /Ge entsteht aus der Wanderung von Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen, um die positiven und negativen Dipole zu bilden. Es wird spekuliert, dass die negativen Ladungen in ZrO₂ beziehen sich auf die Zr-Leerstelle [11], die denen in Al₂ . ähnelt O₃ Film [12]. Die Migration der spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen wurde in resistiven Direktzugriffsspeicherbausteinen weithin demonstriert [13, 14]. Dies ist insbesondere die erste Demonstration von nichtflüchtigen Transistoren mit drei Anschlüssen, die von spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen dominiert werden.

Schema des Mechanismus für schaltbares P in ZrO₂ Kondensatoren, was auf die Wanderung von spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen zu Dipolen zurückgeführt wird

Die P-V Hysterese aktiviert das ZrO₂ FeFETs, um ein großes und stabiles MW für eingebettete NVM (eNVM)-Anwendungen zu erhalten. Abbildung 6 zeigt das gemessene I _DS -V _GS Kurven von 2.5, 4 und 9 nm ZrO₂ FeFETs für die beiden Polarisationszustände mit 1 μs Program/Erase (P/E) Bedingungen. Die Transistoren wurden bei 500 °C getempert. Der Programmier-(Lösch-)Betrieb wird durch Anlegen positiver (negativer) Spannungsimpulse an das Gate des ZrO₂ . erreicht FeFETs, um ihre Schwellenspannung (V _TH ). V _TH ist definiert als V _GS bei 100 nA·W/L, und MW ist definiert als die maximale Änderung von V _TH . Alle FeFETs mit verschiedenen ZrO₂ Dicken haben das MW über 1 V mit 1 μs P/E-Pulsen. Um ein ähnliches MW zu erreichen, wird eine höhere Löschspannung für das 9 nm ZrO₂ . benötigt FeFET im Vergleich zu den anderen beiden Transistoren. Es ist zu sehen, dass ein größerer Betrag V . löscht _GS ist erforderlich, um die ungefähr gleiche Verschiebung von I-V . zu erhalten relativ zur Ausgangskurve im Vergleich zum Programm V _GS . Es wird spekuliert, dass die Sauerstoffleerstellen zum P . beitragen stammen hauptsächlich aus der Reaktion zwischen TaN und ZrO₂ , wie der Ausgangszustand des Gerätes in Abb. 5a. Als positives V _GS (Programm) angewendet wird, diffundieren die Sauerstoffleerstellen und reichern sich in der Schicht in der Nähe des ZrO₂ . an /Ge-Grenzfläche (Abb. 5b), bei der sich die Verteilung der Sauerstoffleerstellendipole stark vom Ausgangszustand unterscheidet. So ist es einfach, das I-V . zu verschieben Kurve zu einem höheren |V _TH | mit positivem V _GS . Als negatives V _GS (Erase) angewendet wird, bringt die Rückdiffusion von Sauerstoff-Leerstellen den Gate-Stack wieder in seinen ursprünglichen Zustand (Abb. 5c). Also die Größe der negativen Löschung V _GS muss erhöht werden, um die äquivalente Verschiebung von I-V . zu erreichen zum positiven Programm V _GS .

Gemessen I _DS -V _GS Kurven des 2,5, 4 und 9 nm dicken ZrO₂ FeFETs für den Anfangs- und zwei Polarisationszustände mit 1 μs P/E-Pulsen

Wenn die P/E-Pulsbreite auf 100 ns reduziert wird, wird das ZrO₂ FeFETs zeigen immer noch das ordentliche MW, wie in Abb. 7a gezeigt. Insbesondere der Transistor mit 2,5 nm ZrO₂ getempert bei 350 °C erreicht ein MW von 0,28 V. Abbildung 7b zeigt MW vs. Zyklenzahl für die FeFETs mit verschiedenen ZrO₂ Dicken mit 100 ns P/E-Pulsbedingung. Das 4 nm ZrO₂ Gerät erreicht eine deutlich verbesserte Ausdauerleistung im Vergleich zu 2,5 nm und 9 nm ZrO₂ FeFETs, die innerhalb von 10 ³ . den offensichtlichen Weckeffekt und Ermüdung zeigen Zyklen.

a Ich _DS -V _GS Kurven des 2,5, 4 und 9 nm dicken ZrO₂ FeFETs für die beiden Polarisationszustände mit 100 ns P/E-Pulsen. Die Geräte wurden einem RTA bei 500 °C unterzogen. b FeFET mit 4 nm ZrO₂ hat eine verbesserte Lebensdauer im Vergleich zu 2,5 und 9 nm ZrO₂ Transistoren

Schließlich die Retentionsprüfung des ZrO₂ FeFETs ist in den Fig. 1 und 2 charakterisiert und gezeigt. 8 und 9. Abbildung 8 a zeigt die Entwicklung von I _DS -V _GS Kurven für die beiden Polarisationszustände des 4 nm ZrO₂ FeFETs durchliefen RTA bei 350, 450 und 500 °C. Das Charge Trapping führt mit der Zeit zur Verkleinerung der Geräte. Wie in 8b gezeigt, kann die Rückhalteleistung der Vorrichtungen mit der Erhöhung der RTA-Temperatur verbessert werden. Ein MW von ~ 0,46 V wird extrapoliert, um über 10 Jahre aufrechterhalten zu werden. Abbildung 9 vergleicht die Retentionseigenschaften der FeFETs mit verschiedenen ZrO₂ Dicken. Das 4 nm ZrO₂ Gerät hat eine verbesserte Retentionsleistung im Vergleich zu den Transistoren mit 2,5 und 9 nm dickem ZrO₂ .

a Die Entwicklung von Ich _DS -V _GS Kurven für die beiden Polarisationszustände des 4 nm ZrO₂ FeFETs mit unterschiedlichen RTA-Temperaturen. b Das 4 nm ZrO₂ bei 500 °C getemperte Vorrichtung hat eine viel bessere Retentionsleistung im Vergleich zu den Transistoren mit RTA bei den niedrigeren Temperaturen

a Die Entwicklung von Ich _DS -V _GS Kurven für die beiden Polarisationszustände für das 2,5, 4 und 9 nm dicke ZrO₂ FeFETs wurden einer RTA bei 500 °C unterzogen. b Das 4 nm ZrO₂ Gerät hat eine verbesserte Retentionsleistung im Vergleich zu den Transistoren mit 2,5 und 9 nm dickem ZrO₂

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass amorphes ZrO₂ ferroelektrische Kondensatoren werden experimentell nachgewiesen, und es wird spekuliert, dass die Ferroelektrizität auf die Wanderung der spannungsgesteuerten Dipole zurückzuführen ist, die durch die Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen gebildet werden. FeFETs mit 2,5 nm, 4 nm und 9 nm ZrO₂ haben das MW über 1 V mit 1 μs P/E-Pulsen. Die verbesserten Ermüdungs- und Retentionseigenschaften werden in dem 4 nm dicken ZrO₂ . erreicht FeFET im Vergleich zu den Geräten mit 2.5 nm und 9 nm ZrO₂ . Der Retentionstest zeigt, dass das 4 nm ZrO₂ Transistor hält ein extrapoliertes 10-Jahres-MW von ~ 0,46 V.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

RTA:

Schnelles thermisches Glühen

IL:

Grenzschicht

TaN:

Tantalnitrid

FeFET:

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren

TDMAZr:

Tetrakis (Dimethylamido) Zirkonium

Ge:

Germanium

ZrO₂ :

Zirkoniumdioxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

HF:

Flusssäure

BF₂ ⁺ :

Borfluoridion

MW:

Speicherfenster

NVM:

Nichtflüchtiger Speicher

P _r :

Restpolarisation

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

Ni:

Nickel

P _max :

Maximale Polarisation

RTA:

Vergütetes thermisches Glühen

V _Bereich :

Sweep-Spannungsbereich