Ultra-Niedrigspannungs-2D-MoS₂-Ferroelektrischer-Speichertransistor mit Hf₁₋ₓZrₓO₂-Gate für CMOS-Kompatibilität

Zusammenfassung

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) erweisen sich als faszinierende nicht-flüchtige Speichertechnologie aufgrund ihrer vielversprechenden Betriebsgeschwindigkeit und Ausdauer. Das Umpolen der Polarisation erfordert jedoch eine hohe Spannung im Vergleich zum Lesen, was den Stromverbrauch beim Schreiben einer Zelle beeinträchtigt. Hier berichten wir über eine CMOS-kompatible FeFET-Zelle mit niedriger Betriebsspannung. Wir designen den ferroelektrischen Hf_1-xZr_xO₂ (HZO) Dünnfilm so, dass er negative Kapazität (NC) Gate-Dielektrika bildet, die eine gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Hystereseschleife der Polarizationsdomäne im wenige-lagigen Molybdändisulfid (MoS₂) FeFET erzeugen. Der unstabilisierte negative Kondensator unterstützt inhärent subthermionische Schwenkrate und ermöglicht somit das Umschalten der ferroelektrischen Polarisation mit einem Hysteresifenster, das viel weniger als die Hälfte der Betriebsspannung beträgt. Der FeFET zeigt ein hohes Ein/Aus-Stromverhältnis von mehr als 10⁷ und ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes Speicherfenster (MW) von 0,1 V bei einer minimalen Programm (P)/Lösch (E) Spannung von 3 V. Robuste Ausdauer (10³ Zyklen) und Retention (10⁴ s) Eigenschaften werden ebenfalls demonstriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der HZO/MoS₂-Ferroelektrische-Speichertransistor neue Möglichkeiten in größen- und spannungsskalierbaren nicht-flüchtigen Speicheranwendungen erreichen kann.

Hintergrund

Der System-on-Chip (SoC) eingebettete Speichermarkt befindet sich derzeit in einer Ära enormen Wachstums, die Speicher erfordert, die schnelleren Betrieb, kleinere Zellengröße und geringeren Stromverbrauch ermöglichen [1,2,3,4,5,6]. Ferroelektrischer Speicher, einer der vielversprechendsten Kandidaten, wurde aufgrund der Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid 2011 [7] neu bewertet.

In den vergangenen Jahrzehnten schnitt FeFET in all diesen Aspekten nicht gut ab, einschließlich niedriger Spannungsanforderungen für Speicherbetrieb, Einfachheit der Prozessschritte, minimaler CMOS-Integrationsprozess und begrenzter Kontaminationsbedenken [8,9,10,11]. Um dies zu adressieren, wurden kürzlich enorme Untersuchungen zu 2D-FeFET-Nichtflüchtigen-Speichern (NVM) auf Basis verschiedener ferroelektrischer Materialien durchgeführt, einschließlich PbZrTiO₃ (PZT) und [P(VDF-TrFE)] Polymer [12,13,14,15,16,17,18], was auf die vielversprechenden Eigenschaften von 2D-Materialien im "More-than-Moore-Zeitalter" zurückzuführen ist. Im FeFET werden die zwei stabilen spontanen Polarisationzustände eines ferroelektrischen Materials, das in einen Transistor-Gate-Stack integriert ist, für Datenspeicherung über die kontrollierbare Schwellenspannung genutzt, die durch angewendete geschrumpfte P/E-Gate-Spannungen ermöglicht wird. Es wurde berichtet, dass reproduzierbare Hystereserverhalten, ein hohes Ein/Aus-Verhältnis von 10⁴, gute Retentionseigenschaften bis zu 10⁴ s und stabiles Schaltverhalten in PZT/MoS₂-FeFET erreicht wurden [19]. Bemerkenswert ist, dass eine maximale Mobilität von 625 cm²/V·s, ein großes MW von 16 V für einen ±26-V-Gate-Spannungsbereich und ein hohes Ein/Aus-Verhältnis von 8 × 10⁵ durch einen n-Typ [P(VDF-TrFE)] Polymer/MoS₂-FeFET demonstriert wurden [15]. Es gibt jedoch viele fundamentale Probleme, die eine praktische Anwendung verhindern könnten, wie CMOS-Kompatibilität, Skalierbarkeit und Grenzflächenzustände zwischen Fe und 2D-Material. Ferroelektrisches Hafniumoxid, eine Art neuartiges ferroelektrisches Material, hat exzellente CMOS-Kompatibilität und Skalierbarkeit, was für fortgeschrittene FeFET-NVM im Sub-5-nm-Technologieknoten in den nächsten 5-10 Jahren dienen könnte [20]. Entsprechend wurden Chargen von HfO₂-basierten Dielektrikum-Stacks in 2D-FeFETs integriert, die darauf abzielen, Negative-Kapazität-Feldeffekttransistoren (NCFET) mit steilem EIN/AUS-Schalten über Sub-60-mV/Dekade-Steigung und hysteresefreie Charakteristiken zu erreichen [21,22,23,24,25,26]. Obwohl Massenerfahrungen basierend auf NC-Dielektrikum-Stacks mit alternativen 2D-Kanalmaterialien fantastische Schlussfolgerungen gezogen haben, hoben sie die dringenden Anforderungen hervor, zwischen NCFETs und FeFETs zu unterscheiden. Es fehlt noch an systematischer Untersuchung bezüglich der Physik und Machbarkeit der Ein-Transistor-Ferroelektrischen-Speichertechnologie basierend auf MoS₂ und ferroelektrischem HZO.

In dieser Arbeit wurde ein FeFET mit einem wenige-lagigen HZO-MoS₂-Transistor vorgeschlagen. Er ist in der Lage, die P/E-Spannung über den NC-Effekt, induziert durch Gate-Stack-Engineering unter einer geschrumpften P/E-Spannung, zu skalieren. Wir demonstrierten experimentell, dass ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes MW von 0,1 V mit Sub-60-mV/Dekade-Steigung in HZO-MoS₂-FeFET erreicht wurde, was auf lokale Trägerdichtemodulation im 2D-Kanal durch schnelles Umklappen des ferroelektrischen Dipols zurückzuführen ist. Wir führten die verringerte Hystrese des HZO/MoS₂-FeFET mit steigender Drain-Spannung auf den negativen Drain-induzierten Barriereabsenkung (DIBL) Effekt zurück. Zusätzlich wurden Retention, Ausdauereigenschaften und die Abhängigkeit der Schwellenspannung von der Drain-Spannung des HZO-MoS₂-FeFET systematisch untersucht, was einen machbaren Weg zum Design von HZO-MoS₂-FeFET-NVM und dessen praktischen Anwendungen eröffnet.

Methoden

6 nm Hf_1-xZr_xO₂ Film und 2 nm Al₂O₃ wurden auf p⁺ Si-Substrat mittels ALD bei 300 °C abgeschieden, mit [(CH₃)₂N]₄Hf (TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr (TDMAZr) und H₂O-Dampf als Hf-Vorläufer, Zr-Vorläufer und Oxidationsvorläufer. Anschließend wurde das Substrat einer schnellen thermischen Ausheilung (RTA) bei 450 °C für 30 s in N₂-Atmosphäre unterzogen. Danach wurden wenige-lagige MoS₂-Flocken mechanisch exfoliiert und auf das Substrat übertragen. Der Durchmesser des p⁺ Si-Substrats, das zum Abscheiden von HZO (6 nm)/Al₂O₃ (2 nm) verwendet wurde, beträgt 6 Zoll. Wir verwendeten Elektronenstrahllithografie (EBL), um Kontaktpads in Poly(methylmethacrylat) (PMMA) A5 Resist zu strukturieren. Die Spin-Parameter, Back-Parameter und Imaging-Parameter sind 500 U/min (9 s) + 4000 U/min (40 s), 170 °C (5 min), MIBK:IPA = 1:3 (15 s). Dann wurden die Source/Drain-Elektroden (Ti/Au, 5/65 nm Dicke) mittels Elektronenstrahlverdampfung (EBE) System abgeschieden und durch Acetonlösung geätzt. Nach Lift-off wurde das Gerät 2 h bei 300 °C geglüht, um den Kontakt zu verbessern. Wir führten die elektrische Charakterisierung unserer gefertigten MoS₂/HZO-Feldeffekttransistoren mit einer Probierstation mit Mikromanipulator durch. Die Back-Gate-Spannung (V_GS) wurde auf dem p-typ stark dotierten Si-Substrat angelegt. Ein Halbleiter-Charakterisierungssystem (PDA) wurde verwendet, um die Source-Drain-Spannung (V_DS), die Back-Gate-Spannung (V_GS) und den Source-Drain-Strom (I_DS) zu messen.

Ergebnisse und Diskussion

Wir bereiteten wenige-lagiges MoS₂ durch mechanische Exfoliation von Bulk-Kristall vor und übertrugen den MoS₂-Nanoflake auf das 2 nm Al₂O₃/6 nm HZO/p⁺ Si-Substrat (siehe Details im „Experimentell“-Abschnitt). Abbildung 1a und b zeigen eine 3D-schematische Ansicht und Querschnitt der HZO/MoS₂-FeFET-Struktur. Ein Top-View-Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bild des HZO/MoS₂-FeFET ist in Abb. 1c dargestellt. Die Breite und Länge des MoS₂-Kanals betragen 2 µm und 12 µm. Wie in Abb. 1d gezeigt, wurde die Dicke des MoS₂-Kanals mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) bestätigt. Die gemessene Dicke von 1,57 nm deutet auf die Anwesenheit von 4 Lagen MoS₂ hin [26].

Gerätestruktur und Grundeigenschaften des MoS₂/HZO-FeFET. a Dreidimensionale schematische Darstellung des MoS₂/HZO-FeFET. b Schematischer Querschnitt des MoS₂/HZO-FeFET. c Top-View-SEM-Bild des gefertigten MoS₂/HZO-FeFET mit Ti/Au Source/Drain-Elektroden, HZO ferroelektrischen Gate-Isolatoren und MoS₂-Kanälen. d Höhenprofil mittels Kontaktmodus-AFM entlang der roten Linie in c, validiert die Höhe des MoS₂-Kanals.

Wie in Abb. S1c und d gezeigt, wurden die elementare und Bindungszusammensetzung von HZO durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Messungen untersucht. Peaks finden sich bei 19,05 eV, 17,6 eV, 185,5 eV und 183,2 eV, die Hf 4f_5/2, Hf 4f_7/2, Zr 3d_3/2 und Zr 3d_5/2 entsprechen [27]. Die atomare Konzentration entlang des Tiefenprofils in Abb. S1e bestätigt weiterhin die Verteilung der Al₂O₃/HZO/p⁺ Si-Dreischichtstruktur. Alles oben bestätigt, dass der HZO-Film, der über unser ALD-System gewachsen ist, hochkristallin ist.

Bevor die Charakterisierung des HZO/MoS₂-FeFET untersucht wird, wird das ferroelektrische Verhalten des Au/2 nm Al₂O₃/6 nm HZO/p⁺ Si Gate-Stacks mittels Polarisation-Spannungs-Messung in Abb. 2a gezeigt. Deutlich zeigen unsere gefertigten 6 nm HZO/2 nm Al₂O₃ Kondensatoren Polarisation-Spannungs-Hystereseschleifen (gemessen bei 1 kHz). Gleichzeitig nehmen die Remanenzpolarisation P_r und die Koerzitivspannung V_c mit zunehmendem maximalen Sweep-Spannungsbereich zu, was impliziert, dass die P-V-Hystereseschleifen von Minor-Loop zu Major-Loop transformieren. Wenn die maximale Sweep-Spannung von 2 auf 4 V steigt, erreicht P_r 0,66 µC/cm², 0,86 µC/cm² und 1,1 µC/cm² bzw. und V_c erreicht 1,12 V, 1,9 V und 2,04 V. Extrahierte P_r und V_c innerhalb von 10⁵ dauerhaften DC-Sweep-Zyklen sind in Abb. 2b und c gezeigt. Offensichtlich werden signifikante Wake-Up- und Fatigue-Effekte innerhalb von 10⁵ Zyklen im 6 nm HZO/2 nm Al₂O₃ Kondensator beobachtet. Wake-Up und Fatigue können auf Diffusion und Umverteilung von Sauerstoffvacanzen unter dem elektrischen Feld zurückgeführt werden. Der Fatigue-Effekt ist allgemein mit Ladungsfang an Defektstellen im Zusammenhang mit Sauerstoffvacanzen assoziiert [28]. Die Hystereserverhalten für die PR_phase und der schmetterlingsförmige Loop für PR_ampl mittels Piezokraftmikroskopie (PFM) sind in Abb. S1b und c dargestellt, was eine Polarisation-Umschaltung als Funktion der Sweep-Bias-Spannung anzeigt. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kontaktwiderstände zwischen Polarisation-Spannungs-Messung und Piezo-Response-Spannungs-Messung ist der gemessene V_c in Abb. S1b und c nicht so konsistent mit den in Abb. 2a erhaltenen Werten.

a P-V-Hystereseschleifen für den HZO (6 nm)/Al₂O₃ (2 nm) Kondensator mit verschiedenen Spannungs-Sweep-Bereichen. Abhängigkeit von (b) P_r und c V_c vom Zyklus für den HZO (6 nm)/Al₂O₃ (2 nm) Kondensator mit ± 4 V/1 kHz Zyklus

Zusätzlich wird beobachtet, dass es eine Zunahme des MW mit erhöhtem Sweep-Spannungsbereich der Gate-Spannung (V_GS,range) gibt. Normalerweise existiert polykristalliner HZO-Film als Multi-Domain-Status [29], und die Koerzitivfeldverteilung dieser Domänen folgt einer Gauß-Verteilung. Daher muss es eine erhöhte Abhängigkeit vom erhöhten V_GS,range geben. Das Koerzitivfeld E_C entspricht dem Wert des externen elektrischen Feldes, das die Remanenzpolarisation auf null reduzieren kann. Daher wird der V_GS,range, der verwendet wird, um die Polarisation im HZO-Film umzuschalten, mit höherer zugehöriger Koerzitivspannung V_C größer. Dies ist der Grund, warum Polarisation-Spannungs-Schleifen des HZO-Films mit einem größeren V_GS,range erweitert werden, was in Abb. 2a demonstriert wurde. Mit anderen Worten, die verstärkte Polarisationintensität und ferroelektrische Umschaltung treten mit erhöhtem V_GS,range auf, was zu den oben genannten Phänomenen des erweiterten gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden MW führt, der durch den erhöhten V_GS,range erzeugt wird. Bei V_GS,range = (−2, 2 V) sind die MW fast verschwunden und nahezu hysteresefreie Charakteristiken treten auf, was die fast vollständige Kompensation zwischen den Effekten von ferroelektrischer Umschaltung und Ladungsfang/Entfang bedeutet.

Um den Effekt der ferroelektrischen Umschaltung weiter zu untersuchen, wurde V_GS,range kontinuierlich auf (−6, 6 V) und (−6,5, 6,5 V) erhöht. Die gemessenen I_DS-V_GS Kurven des HZO-MoS₂-FeFET bei V_GS,range = (−6, 6 V) und (−6,5, 6,5 V) sind in Abb. 3a gezeigt. Ähnlich nimmt das gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Speicherfenster mit erweitertem V_GS,range zu. Bei V_GS,range = (−6,5, 6,5 V) liegt das gegen den Uhrzeigersinn verlaufende MW über 4 V und das Ein/Aus-Verhältnis steigt auch auf 10⁷, was auf die verstärkte Polarisation-Umschaltung unter größerer extern angewendeter Spannung zurückzuführen ist. Im Allgemeinen ist der Mechanismus, der den Hystereserverhalten in den I_DS-V_GS Kurven während des bidirektionalen Sweep von V_GS zugrunde liegt, die Schwellenspannungsverschiebung, die durch die vorherrschenden Effekte der Polarisation-Umschaltung, also NC-Effekt [30,31,32], modifiziert werden kann, was zu gegen den Uhrzeigersinn verlaufender Hysterese führt. Eine weitere Studie der verbesserten Subschwellencharakteristiken wurde an einem anderen Gerät unter einem geschrumpften V_GS,range durchgeführt. Die gemessenen I_DS-V_GS und extrahierten Punkt-SS-I_DS Kurven des anderen Geräts bei V_GS,range = (−3, 3 V) sind in Abb. 3b dargestellt. Es wird demonstriert, dass bei V_GS,range = (−3, 3 V) HZO/MoS₂-FeFET SS_For = 51,2 mV/Dekade und SS_Rev = 66,5 mV/Dekade aufweist. Das heißt, SS von Sub-60 mV/Dekade und ein MW von 0,48 V können gleichzeitig in HZO/MoS₂-FeFET bei Raumtemperatur erreicht werden, was ein Hinweis zur Unterscheidung zwischen NCFET und FeFET sein wird.

Gleichstrom (DC) Test des HZO/MoS₂-FeFET bei Drain-Spannung (V_DS) von 0,5 V. a Vergleich zwischen Transferkurven mit 6 V und 6,5 V als Maximum der Back-Gate-Spannung. b Vergrößerte Ansicht der Transferkurven im 0 bis −2 V Intervall von V_GS,range = (−3, 3 V). Punkt-Subschwellensteigung (SS) als Funktion des Drain-Stroms (I_DS) des HZO/MoS₂-FeFET ist (b) Einschnitt. Das Gerät zeigt SS_For = 51,2 mV/Dek

Wie bekannt, kann in NCFET die SS bei Raumtemperatur kleiner als 60 mV/Dekade sein aufgrund der Einbindung der negativen Gate-Dielektrikum-Kapazität (C_ins), die über den negativen Steigungsabschnitt von dP/dE < 0, induziert durch ferroelektrischen Film, erlangt werden kann, was zum Gate-Stack-Faktor (m) < 1 beiträgt. Der Mechanismus, der dem NC-Effekt [33] zugrunde liegt, ist das Depolarisationsfeld, das durch den ferroelektrischen Film erzeugt wird [34,35,36,37,38]. Es wurde experimentell berichtet, dass aufgrund unvollständiger Abschirmung an der Grenzfläche des ferroelektrischen Films [39] die verbleibende Polarisationladung ein internes elektrisches Feld über den ferroelektrischen Film erzeugen könnte, das die entgegengesetzte Richtung zur extern angewendeten Spannung hat, was zur Umverteilung der Spannung über den Gate-Stack und der verstärkten Kanal-Oberflächenpotential führt, genannt „Spannungsverstärkungseffekt“ [40,41,42]. Die Spannungsverstärkung kann normalerweise in zwei Teile unterteilt werden: die beschleunigte Variation des Kanal-Oberflächenpotentials und der anschließende gesteigerte Wert, die steiles EIN/AUS-Schalten und verbessertes I_ON/I_OFF bereitstellen. Für FeFET gibt es jedoch eine andere Geschichte. Gemäß dem Konzept der Kapazitätsanpassung zwischen ferroelektrischer Kapazität (C_FE) und Metall-Oxid-Halbleiter-Kapazität (C_MOS) [43,44,45], wenn |C_FE| > C_MOS, ist die theoretische Gesamtkapazität (C_total) positiv und das System ist stabil, was zu denselben Polarisationverhalten während des bidirektionalen Sweep von V_GS und stabilen hysteresefreien NCFET führt. Gute Anpassung, die zu verbesserter SS und Transkonduktanz führt, ist jedoch sehr knifflig zu erreichen, da sowohl C_MOS als auch C_FE sehr nicht-linear, bias-abhängige Kondensatoren sind. Zusätzlich muss |C_FE| > C_MOS für den gesamten Betriebsspannungsbereich sichergestellt werden, um Hysterese zu vermeiden. Stattdessen, sobald |C_FE| < C_MOS, ist die theoretische C_total negativ und das System instabil, ein separates Polarisationverhalten muss während des bi-direktionalen Schaltens von V_GS auftreten, um C_total positiv zu halten, was die gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Hysterese in FeFET für NVM-Anwendung erzeugen könnte. Hier wird erwähnt, dass das hysteresische Verhalten der nachfolgende Effekt der separaten Polarisation-Umschaltung ist, was bedeutet, dass die Breite des Hysteresifensters basierend auf dem Konzept der Kapazitätsanpassung leicht modifiziert werden kann, z. B. durch Variation von V_DS. Mit angemessener Kapazitätsanpassung zeigt HZO/MoS₂-FeFET auch bei einem stark geschrumpften V_GS,range = (−3, 3 V) ein offensichtliches Hysteresifenster und gleichzeitig steiles Schalten von SS_For = 51,2 mV/Dek, was die Existenz des NC-Effekts (ferroelektrischer Polarisationseffekt) im Subschwellenbereich weiter suggeriert. Obwohl NCFET und FeFET unterschiedlich sind, kann FeFET auch als Logikbauelement mit vergleichbarem kleinerem MW, beibehaltener tief Sub-60-mV/Dek-SS und höherem I_ON/I_OFF-Verhältnis aufgrund des NC-Effekts eingesetzt werden.

Der Einfluss von V_DS auf die Breite des MW wurde sorgfältig untersucht. Die I_DS-V_GS Kurven auf logarithmischen Skalen unter verschiedenen V_DS sind in Abb. S3 charakterisiert. Es wird gezeigt, dass bei einem festen V_GS,range = (−2, 2 V) die Werte von V_GS, extrahiert bei I_DS = 70 nA für den bidirektionalen Sweep von V_GS, alle in die negative Richtung verschoben werden. Gleichzeitig wird auch demonstriert, dass die Variation im vorwärts Sweep von V_GS viel offensichtlicher ist als die des rückwärts Sweep, was das signifikante Phänomen des negativen DIBL anzeigt. Es sei angemerkt, dass der negative DIBL-Effekt immer mit einem NC-Effekt auftritt [46, 47].

Nach dem obigen DC-Test des HZO/MoS₂-FeFET führten wir weiter die gemessenen MWs für verschiedene P/E V_GS Pulse mit 10 ms Breite in Abb. 4a durch. MW ist definiert als die maximale Änderung ΔV_TH nach P/E V_GS Pulsen. Während der gepulsten V_GS Applikation wurden die anderen Terminals auf V_S = V_D = 0 V festgelegt. Für die Leseoperation (R) wurde V_GS von −1 V bis 1 V mit V_D = 0,5 V und V_S = 0 V variiert. Wie in Abb. 4a gezeigt, werden die extrahierten MWs größer, wenn P/E V_GS Pulse zunehmen. Wenn der auferlegte P/E V_GS Puls ± 3 V beträgt, beträgt der extrahierte MW 0,1 V. Wenn der auferlegte P/E V_GS Puls ± 5,5 V beträgt, beträgt der extrahierte MW 0,275 V. Im Vergleich zu den gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden MWs von 4 V und 0,48 V in Abb. 3a und b sind die extrahierten MWs nach P/E V_GS Pulsen stark reduziert. Dies ist möglicherweise auf eine höhere Dichte von Fangzuständen zurückzuführen, die durch hohe Luftfeuchtigkeit induziert werden [48]. Daher wird der Ladungsfang/Entfang-Mechanismus verstärkt und die gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Hystereseschleife schließlich verringert. Darüber hinaus untersuchten wir die Zyklenausdauer und Datenspeicherung des HZO/MoS₂-FeFET unter P/E Pulsen mit ± 5,5 V Höhe in Abb. 4b. Der Programm V_GS Puls war 10 ms breit mit V_S = V_D = 0 V. Abbildung 4b illustriert die gemessenen MWs als Funktion der Ausdauerzyklen. Der Ausdauerzyklus wird durch periodische P/R/E/R Pulse der Back-Gate-Spannung gebildet. Die auf das Back-Gate angewendeten Spannungen der Höhe P, E, R waren +5,5 V, −5,5 V und 0 V. Und die Pulsbreite von P und E betrug 10 ms. Deutlich kann ein MW von 0,3 V ohne signifikante Degradation nach 10³ P/E Zyklen aufrechterhalten werden. Mit zunehmender Anzahl der Ausdauerzyklen steigt das MW auf 0,38 V nach 10 Zyklen und fällt dann wieder auf 0,28 V nach 600 Zyklen. Die erste Verbreiterung des MW wird Wake-Up-Effekt genannt und die spätere Schrumpfung Fatigue-Effekt. Der Wake-Up-Effekt entspricht Domänenwand-Entpinnung, was zu einer Zunahme schaltbarer Polarisationdomänen des HZO-Films führt [49]. Der Fatigue-Effekt entspricht neu injizierten Ladungen, die Domänenwände nach großer Anzahl von P/E Zyklen pinnen [50]. Die Datenspeicherung bei Raumtemperatur ist in Abb. 4c gezeigt. Hier ist die MW-Degradation nach 10⁴ s vernachlässigbar. Daher kann ein MW von etwa 0,3 V über 10 Jahre durch die gepunkteten Extrapolationslinien erwartet werden. Wie in Abb. 4d dargestellt, ist das Gerät nach 10³ Zyklen unter den P/E Pulsen mit ± 3 V Höhen stabil. Die Stabilität des HZO/MoS₂-FeFET zeigt eine große Perspektive für Anwendungen in nichtflüchtiger Speichertechnologie.

Speicherleistungen des HZO/MoS₂-FeFET unter P/E Pulsen. a Extrahierte MWs (MWs) unter P/E Pulsen mit ± 3 V, ± 4 V, ± 5 V, ± 5,5 V und ± 6 V Höhen. b Ausdauermessungen unter P/E Pulsbedingungen. c Retention-Charakteristik des HZO/MoS₂-FeFET. d Ausdauer des HZO/MoS₂-FeFET für 10³ Zyklen unter den P/E Pulsen mit ± 3 V Höhen

Ein Vergleich der Figure-of-Merit mit FeFET-basierten Geräten, die MoS₂ und ferroelektrische Gate-Dielektrika kombinieren, wird in Tabelle 1 bereitgestellt. Hier sind Gerätestruktur, Remanenzpolarisation, Koerzitivfeld, Hystereseschleifenrichtung, MW, Betriebsspannung, Ausdauerzyklen und Retentionszeit aufgelistet. Es ist offensichtlich, dass das von uns gefertigte Gerät die dünnste ferroelektrische Schicht von 6 nm HZO und die niedrigste Betriebsspannung im Vergleich zu anderen Arbeiten [12,13,14,15,16,17,18] aufweist, was für den zukünftigen 2-nm- oder 3-nm-Prozessknoten des Back-End-of-Line (BEOL) Speichers wichtig ist. Durch Skalierung der Dicke der ferroelektrischen Schicht wurde ein MW von etwa 0,1 V unter einer niedrigen Betriebsspannung von ± 3 V erreicht. Eine so niedrige Betriebsspannung kann auf die intrinsischen Eigenschaften der HZO-Schicht im Vergleich zu ihren Pendants wie P(VDF-TrFE) oder HfO₂ zurückgeführt werden, die eine viel höhere Dicke haben. Darüber hinaus besitzt unser Gerät eine niedrigere Remanenzpolarisation P_r von 1,1 µC/cm² im Vergleich zu anderen berichteten FeFETs. Der schnelle Abfall des Retentionsverlusts in einem FeFET ist auf die Existenz des Depolarisationsfeldes E_dep zurückzuführen, das von der unvollständigen Ladungskompensation aufgrund der Existenz der Al₂O₃ Schicht herrührt. Hier ist E_dep direkt proportional zur Remanenzpolarisation P_r [51]. Daher machen das hohe E_c und niedrige P_r das Verhältnis E_dep/E_c im MoS₂/HZO-FeFET viel kleiner, was zu einem viel kleineren Retentionsverlust im Zusammenhang mit dem Depolarisationsfeldeffekt führt. Obwohl die Retentionsleistungen von MoS₂-FeFETs basierend auf HZO und P(VDF-TrFE) beide bei etwa 10⁴ s liegen, benötigt der P(VDF-TrFE)-Film 150 nm [17].

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend untersuchten wir wenige-lagige, MoS₂-basierte ferroelektrische Speichertransistoren unter Verwendung eines HZO-Back-Gate-Dielektrikums. Unsere gefertigten Geräte zeigen gegen den Uhrzeigersinn verlaufende Hysterese, induziert durch ferroelektrische Polarisation. Zusätzlich zeigte unser HZO/MoS₂-Ferroelektrischer-Speichertransistor exzellente Geräteleistungen: ein hohes Ein/Aus-Stromverhältnis von mehr als 10⁷ und ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes MW von 0,1 V bei einer P/E-Spannung von 3 V, was Ausdauer (10³ Zyklen) und Retention (10⁴ s) Leistung aufweist. Wir glauben daher, dass die Ergebnisse unserer MoS₂-basierten nichtflüchtigen ferroelektrischen Speichertransistoren vielversprechende Perspektiven für die Zukunft von 2D-Niedrigleistungs-nichtflüchtigen Speicheranwendungen zeigen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Autoren erklären, dass die Materialien, Daten und assoziierten Protokolle den Lesern zur Verfügung stehen, und alle für die Analyse verwendeten Daten sind in diesem Artikel enthalten.