Verbesserung des Speicherfensters und der Lebensdauer von Hf0.5Zr0.5O2-basierten FeFETs mit ZrO2-Keimschichten, gekennzeichnet durch schnelle Spannungspulsmessungen

Hintergrund

HfO₂ -basierte ferroelektrische Dünnschichten gelten aufgrund ihrer Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Kompatibilität und Skalierbarkeit als vielversprechende Gate-Stack-Materialien für ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs). Unter mehreren Arten von Gatestapelstrukturen, die in FeFETs verwendet werden können, stellt ein Metall/Ferroelektrisch/Isolator/Halbleiter (MFIS) eine praktischere Konfiguration dar, da sie den aktuellen MOS-Bauelementenarchitekturen folgt und gut mit dem modernen High-k-Metall-Gate harmoniert (HKMG) Prozesse. Daher wurden große Anstrengungen unternommen, um FeFETs mit MFIS-Gate-Stack-Strukturen für Anwendungen in eingebetteten nichtflüchtigen Speichern, Feldeffekttransistoren mit negativer Kapazität, künstlichen Neuronen, Synapsen und Logik-im-Speicher-Bauelementen zu entwerfen und herzustellen [1,2,3,4 ,5,6,7,8].

Bisher wurden FeFETs mit hoher Dichte und hoher Schreibgeschwindigkeit mit MFIS-Gate-Stack-Strukturen erfolgreich mit HKMG-Prozessen hergestellt [9, 10]. Für den Einsatz von FeFETs für nichtflüchtige Speicheranwendungen sind neben der hohen Integrationsdichte und schnellen Schreibgeschwindigkeit auch ein großes Speicherfenster (MW) und eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich Retention und Ausdauer entscheidend [11,12,13,14]. Aufgrund eines großen Bandversatzes zu Silizium, einem hohen Koerzitivfeld und einer moderaten Dielektrizitätskonstante des HfO₂ -basierte ferroelektrische Dünnschichten, HfO₂ -basierte FeFETs mit MFIS-Gate-Stack-Strukturen zeigen zuverlässige Retentionseigenschaften (10-Jahres-Extrapolation) [15,16,17]. Obwohl das HfO₂ -basierte Dünnschichten weisen eine mäßige Beständigkeit von über 1 × 10 ⁹ . auf Schaltzyklen [14, 18], HfO₂ -basierte FeFETs mit MFIS-Gate-Stack-Strukturen haben eine eher begrenzte Lebensdauer im Bereich von 1 × 10 ⁴ bis 1 × 10 ⁷ Schaltzyklen [17, 19, 20, 21, 22, 23]. Theoretisch wird erwartet, dass die Verwendung von High-k-Isolatorschichten das elektrische Feld im MFIS-Gate-Stapel reduziert, was die Bandbiegung mildern würde, wodurch die Lebensdauereigenschaften und die MWs des HfO₂ . verbessert werden -basierte FeFETs [12, 14]. Experimentell haben Ali et al. verifiziert, dass eine Erhöhung des k-Wertes der ultradünnen Isolatorschicht (d. h. Verwendung von SiON anstelle von SiO₂ ) kann die Ausdauereigenschaften sowie das MW des HfO₂ . effektiv verbessern -basierte FeFETs [13]. In unserer früheren Forschung [24] berichteten wir, dass die Insertion eines kristallinen ZrO₂ High-k-Schicht in den MFIS-Gate-Stacks könnte die kristalline Qualität verbessern und die Bildung einer monoklinen Phase in Hf_0,5 . unterdrücken Zr_0,5 O₂ (HZO) dünne Filme, was zu einem großen MW von 2,8 V führt, charakterisiert durch die DC-Spannungs-Sweep-Methode.

In dieser Arbeit berichten wir über die Charakterisierung der MWs, Retention und Lebensdauer der HZO-basierten FeFETs mit und ohne kristallinem ZrO₂ Saatschichten durch schnelle positive und negative Spannungsimpulsmessungen. Darüber hinaus ist der Vorteil der Verwendung von kristallinem ZrO₂ Saatschichten auf die MW- und Ausdauereigenschaften werden diskutiert.

Methoden

Die n-Kanal-FeFETs mit und ohne ZrO₂ Saatschichten wurden unter Verwendung eines Gate-Last-Prozesses hergestellt, wie in [24] beschrieben. Das ZrO₂ Saatschicht und HZO-Schicht wurden beide bei einer Wachstumstemperatur von 300 ^o . gezüchtet C durch Atomlagenabscheidung (ALD). Das Schema der hergestellten FeFETs ist in Abb. 1a gezeigt, deren Kanalbreite (W ) und Länge (L ) betrugen 80 bzw. 7 µm. Unterdessen TaN/HZO/TaN und TaN/HZO/ZrO₂ /TaN-Kondensatoren wurden auch hergestellt, um die ferroelektrischen Eigenschaften der HZO-Dünnfilme zu bewerten. Die Polarisationsspannung (P-V ) Hystereseschleifen der Kondensatoren wurden mit einem ferroelektrischen Testsystem RT66A von Radiant Technologies gemessen, während die Geräteeigenschaften von FeFETs mit einem Agilent B1500A Halbleiter-Geräteanalysator mit einer Pulsgeneratoreinheit (B1525A) gemessen wurden [20]. Zwei Haupttestsequenzen für MW- und Dauerlaufmessungen sind in Abb. 1b und c dargestellt. Für MW- und Retentionsmessungen wurden zunächst Programmier-/Löschimpulse (P/E) an die Gates von FeFETs angelegt und Lesevorgänge in unterschiedlichen Zeitintervallen unter Verwendung von I . durchgeführt _D –V _G fegen (V _D = 0.1 V), um V . zu messen _TH . Im Allgemeinen V _TH wird als eine Gate-Spannung entsprechend einem Drain-Strom von 10 ^–7 bestimmt A∙W/L [25], und MW ist definiert als die Differenz von V _TH Werte zwischen programmierten und gelöschten Zuständen. Für Dauermessungen wurde das MW nach einer bestimmten Anzahl von abwechselnden P/E-Pulsen gemessen.

a Schema der hergestellten FeFETs. Das zusätzliche kristalline ZrO₂ Die Saatschicht ist durch schwarze Gitterlinien gekennzeichnet. b , c Testsequenzen für MW- und Dauermessungen

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die P–V Hystereseschleifen von TaN/HZO/TaN und TaN/HZO/ZrO₂ /TaN-Kondensatoren. Bemerkenswert ist, dass die TaN/HZO/ZrO₂ /TaN-Kondensator besitzt sogar bessere ferroelektrische Eigenschaften als der TaN/HZO/TaN-Kondensator, was mit den berichteten Ergebnissen übereinstimmt [26], was darauf hindeutet, dass das kristalline ZrO₂ Die Saatschicht könnte in der Tat die kristalline Qualität verbessern und die Bildung einer monoklinen Phase in HZO-Dünnschichten unterdrücken [24]. Abbildung 2b zeigt das I _D –V _G Kurven der HZO-basierten FeFETs mit und ohne zusätzliches kristallines ZrO₂ Saatschichten nach P/E-Pulsen. Die roten Symbollinien repräsentieren das I _D –V _G Kurven nach Anlegen eines Programmpulses von 7 V/100 ns, während die blauen Symbollinien die I _D –V _G Kurven nach Anlegen eines Löschimpulses von – 7 V/100 ns. Man sieht, dass das Ich _D –V _G Die Kurven beider FeFETs zeigen Schaltcharakteristiken gegen den Uhrzeigersinn, was darauf hindeutet, dass die MWs der vorliegenden FeFETs eher vom Polarisationsschalten der HZO-Schichten als vom Ladungseinfang und der Ladungsinjektion stammen. Dennoch ist der HZO-basierte FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Die Keimschicht weist ein verbessertes MW von 1,4 V auf, ungefähr 1,8 mal größer als das (0,8 V) des HZO-basierten FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Darüber hinaus ist das erhaltene MW von 1,4 V mit den besten bisher berichteten Ergebnissen vergleichbar [9, 11, 14, 17, 21, 22, 23, 27].

a P–V Hystereseschleifen von TaN/HZO/TaN und TaN/HZO/ZrO₂ /TaN MFM-Strukturen gemessen bei 4 V und einer Frequenz von 5 kHz. b Ich _D –V _G Kurven von HZO-basierten FeFETs mit (w) und ohne (w/o) ZrO₂ Saatschichten nach einem Programmierimpuls (+ 7 V/100 ns) und einem Löschimpuls (− 7 V/100 ns)

Zuverlässigkeit bezüglich der Retention der HZO-basierten FeFETs mit und ohne zusätzliches kristallines ZrO₂ Saatschichten wurden ebenfalls bewertet. Abbildung 3 zeigt das V _TH Retentionseigenschaften nach Anlegen eines Programmierpulses von 7  V/100 ns und eines Löschpulses von – 7 V/100 ns bei Raumtemperatur. Es ist klar, dass die V _TH Werte sind ungefähr linear mit der logarithmischen Zeitskala. Das extrapolierte MW nach 10 Jahren für den HZO-basierten FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht ist 0,9 V, größer als die (0,6   V) für den HZO-basierten FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Da die äquivalente Dicke der dicken Kapazität (CET) des ZrO₂ (1,5 nm)/SiO₂ (2,6   nm) Gate-Isolatorschichten würden zu einem verstärkten Depolarisationsfeld im Gate-Stapel führen [13, 15], eine weitere Verbesserung der Retentionseigenschaften könnte erwartet werden, wenn die Dicke des SiO₂ Schicht wird reduziert.

Retentionseigenschaften von HZO-basierten FeFETs mit und ohne ZrO₂ Saatschichten

Abbildung 4 zeigt die Entwicklung von I _D –V _G Kurven nach ± 7 V/100 ns abwechselnden P/E-Zyklen. Für den FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Saatschicht, sowohl signifikante Verschiebung als auch Neigungsverschlechterung im I _D –V _G Kurven werden von den frühen Stadien des P/E-Cyclings beobachtet, und die I _D –V _G Kurven in den gelöschten Zuständen weisen im Vergleich zu den Programmzuständen eine stärkere Verschlechterung der Steigung auf. Für den FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Samenschicht, obwohl das I _D –V _G Kurven in gelöschten Zuständen zeigen eine offensichtliche positive Verschiebung während der frühen Phasen des P/E-Cyclings, die dem „Wake-up“-Effekt zugeschrieben wird [13, 28, 29, 30, 31, 32], keine offensichtliche Verschiebung von I _D –V _G Kurven in den Programmzuständen wird bis zu 1 × 10 ³ . beobachtet Fahrräder. Für den FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht, das I _D –V _G Kurven sowohl im gelöschten als auch im programmierten Zustand zeigen nur eine leichte Verschlechterung der Steigung bis zu 1 × 10 ³ Zyklen.

Entwicklung von Ich _D –V _G Kurven von HZO-basierten FeFETs a ohne und b mit ZrO₂ Saatschichten mit P/E-Cycling

Nach früheren Berichten [12, 28, 33] ist die Parallelverschiebung in I _D –V _G Kurven wird der allmählichen Akkumulation gefangener Ladungen im Gate-Stapel zugeschrieben, während die Steigungsverschlechterung in I _D –V _G Kurven ist das Ergebnis der Erzeugung von Schnittstellenfallen. Da eingefangene Ladungen mit elektrischen Mitteln abgefangen werden können, die Erzeugung von Grenzflächenfallen jedoch irreversibel ist, ist die Minimierung der Erzeugung von Grenzflächenfallen äußerst wichtig, um die Beständigkeitseigenschaften zu verbessern [28]. Die durch P/E-Cycling erzeugten Schnittstellenfallen (ΔN _es ) kann mit Gl. (1) [34, 35]:

$$ \Updelta \mathrm{SS}=\frac{\Updelta {N}_{it} kT\ln 10}{C_{FI}{\varnothing}_F} $$ (1)

wobei ΔSS die Änderung des unterschwelligen Swings ist, k ist die Boltzmann-Konstante, T ist die absolute Temperatur, C _FI die Gesamtkapazität des Gatestapels ist und ∅ _F ist das Fermipotential. Die ΔN _es als Funktion des P/E-Zyklus für die HZO-basierten FeFETs mit und ohne zusätzliches kristallines ZrO₂ Saatschichten sind in Abb. 5 dargestellt. Für den FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Saatschicht, die ΔN _es steigt offensichtlich von den frühen Stadien des P/E-Zyklus an, und ΔN _es in den gelöschten Zuständen ist viel größer als in den Programmzuständen. Die ΔN _es für den FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht ändert sich fast nicht bis zu 1 × 10 ³ Zyklen und ist immer kleiner als beim FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Da das Einfügen des zusätzlichen ZrO₂ Die Saatschicht reduziert das elektrische Feld im Gate-Stapel und somit ist die Bandverbiegung schwächer, die Erzeugung von Grenzflächenfallen wird abgeschwächt [12, 14].

Entwicklung von ∆N _es mit P/E-Radfahren

Abbildung 6 zeigt die Entwicklung der Gate-Leckstromcharakteristik (I _G –V _G Kurven) von HZO-basierten FeFETs mit und ohne ZrO₂ Saatschichten mit P/E-Cycling. Für den FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Seed-Schicht steigt der Gate-Leckstrom von den frühen Stadien des P/E-Zyklus dramatisch an. Der Gate-Leckstrom für den FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht ändert sich fast nicht bis zu 5 × 10 ² Zyklen und ist immer kleiner als beim FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Es wird berichtet, dass der Anstieg des Gate-Leckstroms mit den erzeugten Grenzflächenfallen zusammenhängen könnte [28]. Die Reduzierung des Gate-Leckstroms beim Zyklen für den FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht würde auf die Unterdrückung der Erzeugung von Grenzflächenfallen zurückgeführt.

Entwicklung der Gate-Leckstromcharakteristik (I _G –V _G Kurven) von HZO-basierten FeFETs a ohne und b mit ZrO₂ Saatschichten mit P/E-Cycling

Das V _TH Werte für Programm- und Löschzustände, die aus dem I . extrahiert wurden _D –V _G Kurven der HZO-basierten FeFETs mit und ohne zusätzliches kristallines ZrO₂ Saatschichten sind in Abb. 7 dargestellt. Der HZO-basierte FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht weist immer ein größeres MW auf als der HZO-basierte FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Darüber hinaus ist das MW des HZO-basierten FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Saatschicht nimmt offensichtlich ab den frühen Stadien des P/E-Zyklus ab, während das MW des HZO-basierten FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Die Saatschicht nimmt bis zu 1 × 10 ³ . leicht ab Fahrräder. Da die P/E-Zykluszahl weiter erhöht wird, wird der HZO-basierte FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Die Saatschicht zeigt auch eine deutliche Verschlechterung der Steigung des I _D –V _G Kurven und MW, aufgrund der verbesserten Erzeugung von Grenzflächenfallen. Das MW des HZO-basierten FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Saatschicht ist immer noch größer als 0,9 V bis zu 1 × 10 ⁴ Zyklen, die ungefähr 2,3-mal größer ist als die (0,4 V) des HZO-basierten FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Wie bereits erwähnt, ist die Verringerung des erforderlichen elektrischen Felds zum Erhalten gesättigterer Polarisationszustände wahrscheinlich für die verbesserten Lebensdauereigenschaften verantwortlich.

Entwicklung von V _TH mit P/E-Radfahren

Schlussfolgerungen

Die MWs sowie die Zuverlässigkeit bezüglich Retention und Lebensdauer der HZO-basierten FeFETs mit dem TaN/HZO/SiO₂ /Si und TaN/HZO/ZrO₂ /SiO₂ /Si MFIS-Gate-Stacks wurden durch schnelle Spannungspulsmessungen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der HZO-basierte FeFET mit dem zusätzlichen kristallinen ZrO₂ Die Keimschicht weist ein großes anfängliches Speicherfenster von 1,4 V und eine extrapolierte 10-Jahres-Retention von 0,9 V auf, größer als das anfängliche Speicherfenster (0,8 V) des HZO-basierten FeFET ohne das zusätzliche kristalline ZrO₂ Samenschicht. Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit in Bezug auf die Lebensdauer des HZO-basierten FeFET durch Einfügen des kristallinen ZrO₂ . verbessert werden Saatschicht zwischen der HZO-Schicht und dem SiO₂ /Si-Substrat. Die MW- und Lebensdauerverbesserung von HZO-basierten FeFETs mit ZrO₂ Keimschichten hängen hauptsächlich mit der verbesserten kristallinen Qualität der HZO-Schicht und der unterdrückten Erzeugung von Grenzflächenfallen aufgrund der Abnahme des erforderlichen elektrischen Felds zum Erhalten gesättigterer Polarisationszustände zusammen. Auf der Grundlage dieser Arbeit wird erwartet, dass der Einsatz eines direkt kristallinen Gate-Stapels mit hohem k/Si die MWs und die Zuverlässigkeit des HfO₂ . weiter verbessern würde -basierte FeFETs und rechtfertigen daher weitere Studien und Entwicklungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

CMOS:

Komplementärer Metalloxid-Halbleiter

FeFET:

Ferroelektrischer Feldeffekttransistor

FeFETs:

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren

HKMG:

High-k-Metall-Gate

HZO:

Hf_0,5 Zr_0,5 O₂

I _D :

Strom entziehen

L:

Länge

MFIS:

Metall/ferroelektrisch/Isolator/Halbleiter

MW:

Speicherfenster

P/E:

Programmieren/Löschen

P–V :

Polarisation–Spannung

SS :

Schwung unter der Schwelle

V _G :

Gatespannung

V _TH :

Schwellenspannung

W:

Breite

ΔN _es :

Die generierten Schnittstellenfallen