Stabiles ferroelektrisches Verhalten in 3,6 nm amorphem Al₂O₃ ermöglicht skalierbare Multi-Gate-NVFETs

Zusammenfassung

Traditionelle ferroelektrische Geräte leiden unter mangelnder Skalierbarkeit. Dotierte HfO₂-Dünnschichten sind vielversprechend, um das Skalierungsproblem zu lösen, werden jedoch durch hohen Leckstrom und Uniformitätsbedenken aufgrund der polykristallinen Natur herausgefordert. Erstmals wird stabiles ferroelektrisches Verhalten in einem 3,6 nm dicken amorphen Al₂O₃-Film demonstriert. Die amorphen Al₂O₃-Geräte sind hochskalierbar und ermöglichen Multi-Gate-Nichtflüchtige-Feldeffekttransistoren (NVFETs) mit Nanometer-skaligem Fin-Pitch. Sie besitzen zudem Vorteile wie niedrige Prozesstemperatur, hohe Frequenz (~GHz), breites Speicherfenster und lange Haltbarkeit, was großes Potenzial in VLSI-Systemen suggeriert. Eine schaltbare Polarisation (P), induziert durch spannungsmodulierte Sauerstoffvacanz-Dipole, wird vorgeschlagen.

Hintergrund

Ferroelektrische Random-Access-Memory (FeRAM) basierend auf konventionellen Perowskit-Ferroelektrika (z. B. PZT) war eine der kommerziellen nicht-flüchtigen Speicher (NVMs) [1], obwohl sie nicht skaliert werden kann und nicht CMOS-kompatibel ist. Ferroelektrizität wurde in einer Vielzahl verschiedener Materialien beobachtet, wie porzinen Aortenwänden [2], Sb₂S₃-Nanodrähten [3], GaFeO₃-Filmen [4], dotierten poly-HfO₂-Filmen [5], nanokristallinen Hydroxylapatit-Filmen [6] und LaAlO₃-SrTiO₃-Filmen [7]. Unter diesen Materialien haben dotierte HfO₂-Filme aufgrund ihrer CMOS-Prozesskompatibilität besonderes Interesse für NVM-Anwendungen geweckt. Die polykristalline Struktur ist jedoch unvermeidlich, um Ferroelektrizität in dotiertem HfO₂ zu erzeugen, was Hindernisse für die Geräteanwendung mit sich bringt: 1) Es ist inkompatibel mit Gate-Last-Verfahren bezüglich des thermischen Budgets von 500 °C, das zur Bildung orthorhombischer Kristallphasen erforderlich ist [8]; 2) Leistungsaufnahme wird durch unerwünschten Leckstrom entlang der Korngrenzen induziert, der exponentiell mit der Verringerung der ferroelektrischen Dicke zunimmt. Kürzlich schlug eine theoretische Studie vor, dass die zusätzliche Ferroelektrizität in dickem poly-HfO₂ (>5 nm) aus langreichweitigen Korrelationen in der Versammlung von elektrischen Dipolen stammen kann, die durch Sauerstoffvacanzen erzeugt werden [9]. Der Defekt-Ladungsfängere-/Entfängermechanismus wurde beobachtet, um ferroelektrisches Verhalten in einem 5 nm dicken amorphen Al₂O₃ für einen Multi-State-Speicher zu erzeugen, der jedoch unter sehr niedriger Fang-/Entfangfrequenz (z. B. ~500 Hz) litt [10].

In dieser Arbeit wird stabiles ferroelektrisches Verhalten in einem 3,6 nm dicken amorphen Al₂O₃-Film demonstriert, wobei die schaltbare Polarisation (P) durch spannungsmodulierte Sauerstoffvacanz-Dipole induziert wird. Der amorphe Al₂O₃-Film besitzt die Vorteile niedriger Prozesstemperatur und Betriebsfrequenz bis ~GHz, was Multi-Gate-NVFETs mit Nanometer-skaligem Fin-Pitch ermöglicht. Ein Al₂O₃-NVFET-Speicher mit 100 ns Pulsbreite Programmier-/Lösch-(P/E)-Spannungen und über 10⁶ P/E-Zyklen Haltbarkeit wird demonstriert. Die Einflüsse von Elektroden und Filmdicke auf die P in Al₂O₃-Kondensatoren werden ebenfalls untersucht. Die amorphen nicht-flüchtigen Geräte zeigen eine vielversprechende Zukunft in VLSI-Speichern.

Methoden

Amorphe Al₂O₃-Filme wurden auf Si(001), Ge(001) und TaN/Si-Substraten durch atomare Lageabscheidung (ALD) gewachsen. TMA und H₂O-Dampf wurden als Vorläufer für Al und O verwendet. Während der Abscheidung wurde die Substrattemperatur bei 300 °C gehalten. Verschiedene obere Metallelektroden, einschließlich TaN/Ti, TaN und W, wurden durch reaktives Sputtern auf Al₂O₃-Oberflächen abgeschieden. Kondensatoren mit verschiedenen Elektroden wurden durch Lithografie-Strukturierung und Trockenätzen gefertigt. Schnelles thermisches Glühen (RTA) bei 350 °C für 30 s wurde durchgeführt. NVFETs mit TaN/Al₂O₃-Gatestapel wurden auf Ge(001) gefertigt. Nach Gatterbildung wurden Source/Drain (S/D) Bereiche durch BF₂⁺-Implantation mit einer Dosis von 1 × 10¹⁵ cm⁻² und einer Energie von 20 keV dotiert, und 20 nm dicke Nickel-S/D-Metallelektroden wurden anschließend durch Lift-off-Prozess gebildet. Abb. 1a und b zeigen die Schemata des gefertigten Al₂O₃-Kondensators und des p-Kanal-NVFET. Es existiert eine Grenzschicht (IL) zwischen der Elektrode und dem Al₂O₃-Film. Abb. 1c und d zeigen Hochauflösungs-Transmissionselektronenmikroskopie-(HRTEM)-Bilder der TaN/Al₂O₃/Ge-Stapel mit unterschiedlichen amorphen Al₂O₃-Dicken (t_AlO) nach einem RTA bei 350 °C.

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 2 zeigt die gemessenen P vs. Spannung V Charakteristiken für die amorphen Al₂O₃-Kondensatoren mit unterschiedlichen t_AlO und verschiedenen oberen und unteren Elektroden. Die Messfrequenz beträgt 1 kHz. Wie in Abb. 2a–c gezeigt, erreicht der TaN/Al₂O₃/Ge-Kondensator mit festen 3,6 nm t_AlO eine höhere Sättigungspolarisation (P_sat) im Vergleich zu Geräten mit TaN/Ti und W oberen Elektroden. Das ferroelektrische Verhalten korreliert stark mit den Grenzflächen, und es wird vorgeschlagen, dass die Bildung von TaAlO_x-IL zwischen TaN und Al₂O₃ mehr Sauerstoffvacanzen produziert, was zu stärkerer Schaltpolarisation beiträgt, im Vergleich zu TiAlO_x- und WAlO_x-ILs. P-V-Kurven in Abb. 2d zeigen, dass der TaN/Al₂O₃/TaN-Kondensator eine viel höhere P_sat im Vergleich zu TaN/Al₂O₃/Ge aufweist, was darauf zurückgeführt wird, dass duale TaAlO_x-ILs höhere Sauerstoffvacanzkonzentration bereitstellen. Während P_sat signifikant niedriger ist als bei Si unterer Elektrode (Abb. 2e), im Vergleich zur Ge-Elektrode. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Al₂O₃/Si-Grenzflächenqualität besser ist, d. h. weniger Sauerstoffvacanzen, im Vergleich zum Gerät auf Ge-Substratbasis. Abb. 2f zeigt die P-V-Kurven eines TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge-Kondensators, der ein höheres V_c und eine fast identische P_sat wie das Gerät mit 3,6 nm Al₂O₃-Film in Abb. 2b aufweist. Es sei angemerkt, dass der Grund für die nicht geschlossenen P-V-Schleifen darin liegt, dass tatsächlich ein Leckstrom existiert. Es wurde berichtet, dass der große Versatz bei elektrischem Feld Null immer bei großem Feld auftrat und allmählich mit kleinerem Spannungssweep-Bereich verschwand [11, 12].

Abb. 2g und h zeigen die extrahierte Entwicklung der positiven und negativen Remanenzpolarisation (P_r) und Koerzitivspannung (V_c) Werte über 10⁴ Sweep-Zyklen für einen TaN/Al₂O₃/Ge-Kondensator. Kein Wake-up-, Imprint- oder Ermüdungseffekt wird beobachtet. V_c des Geräts beträgt ~1,8 V, was anzeigt, dass das E-Feld im Al₂O₃-Film 4–6 MV/cm beträgt und in den ILs 8 MV/cm überschreiten kann, was hoch genug ist, um Sauerstoffvacanzen zu treiben [13, 14]. P_sat der Geräte reicht von 1 bis 5 µC/cm², was einer vernünftigen Sauerstoffvacanzkonzentration im Bereich 3–15×10¹² cm⁻² entspricht, vorausgesetzt sie haben eine Ladung von plus zwei.

Der zugrundeliegende Mechanismus für ferroelektrisches Verhalten in Verbindung mit Sauerstoffvacanzen in Al₂O₃-Geräten wird diskutiert. Die Migration spannungsgetriebener Sauerstoffvacanzen wurde in resistiven Random-Access-Memory-Geräten breit demonstriert [15, 16]. Abb. 3 zeigt die Schemata der schaltbaren P in TaN/Al₂O₃/Ge, die aus der Segregation spannungsmodulierter Sauerstoffvacanzen und negativer Ladungen zur Bildung elektrischer Dipole resultiert. Es ist vernünftig anzunehmen, dass die beweglichen Sauerstoffvacanzen hauptsächlich aus der Bildung der TaAlO_x-IL entstehen und sich im Anfangszustand in der Nähe der oberen Grenzfläche befinden (Abb. 3a). Abb. 3b und c zeigen, wie die positive und negative P jeweils durch Modulation der Sauerstoffvacanz- und negativen Ladungsdipole unter angelegter Spannung gebildet werden. Röntgenphotoelektronenspektren (XPS) von Al₂O₃/Ge und (Ti, TaN, und W)/Al₂O₃/Ge Proben wurden gemessen und in Abb. 4 gezeigt. Für alle Metall/Al₂O₃/Ge-Proben bildet sich eine Metalloxid-IL zwischen Metall und Al₂O₃, die als Reservoir für Sauerstoffionen und -vacanzen vorgeschlagen wird, was mit Ref. [17] konsistent ist.

Um die elektrische Leistung des Al₂O₃-NVFET als NVM zu charakterisieren, wird die Programmier-(Lösch-)Operation durch Anlegen positiver (negativer) Spannungspulse an das Gate erreicht, um dessen Schwellenspannung (V_TH) anzuheben (abzusenken). Abb. 5a zeigt, wie sich die linearen Bereichs-Transferkennlinien des Al₂O₃-NVFET relativ zur initialen I_DS-V_GS-Kurve verschieben, gemessen mit ±4 V Programmier-(Lösch-)Spannungen bei 100 ns Pulsbreite. Hier ist V_TH definiert als V_GS bei 100 nA·W/L, und MW als maximale Änderung von V_TH. Der Al₂O₃-NVFET erreicht ein MW von 0,44 V, obwohl der amorphe Al₂O₃-Film geringere P_r als die berichteten dotierten HfO₂-Filme [5, 8] aufweist. Es sei angemerkt, dass die hohe Betriebsfrequenz bis 10 MHz des Al₂O₃-NVFET-Speichers darauf hindeutet, dass die schaltbare P in Al₂O₃ von der Migration spannungsgetriebener Sauerstoffvacanzen zur Dipolbildung herrührt, nicht von Defekt-Ladungsfängen/Entfängen. Abwechselnde Programm- und Löschpulse wurden an die Al₂O₃-Geräte angelegt, um die Gerätehaltbarkeit weiter zu untersuchen. Abb. 5b zeigt die Plots von V_TH vs. P/E-Zyklenzahl, was ein stabiles MW ohne signifikante Degradation über 10⁶ P/E-Zyklen für einen 3,6 nm dicken Al₂O₃-NVFET demonstriert.

Bemerkenswert ist, dass das in amorphen Al₂O₃-Geräten beobachtete ferroelektrische Verhalten auf universelle amorphe Oxide erweitert werden kann, z. B. Hafniumoxid (HfO₂) und Zirkoniumoxid (ZrO₂).

Schlussfolgerungen

Stabiles ferroelektrisches Verhalten wird erstmals in Kondensatoren mit einem dünnen amorphen Al₂O₃-Isolator realisiert. Schaltbare P in amorphen Al₂O₃-Kondensatoren wird durch P-V-Schleifen und NVFET-Tests demonstriert. Das ferroelektrische Verhalten wird vorgeschlagen, aus Grenzflächen-Sauerstoffvacanzen und Ionen-Dipolen zu stammen. Der 3,6 nm dicke Al₂O₃-NVFET erreicht ein MW von 0,44 V und über 10⁶ Zyklen Haltbarkeit unter ±4 V bei 100 ns P/E-Bedingung. Alles in allem hat diese Arbeit eine neue Welt für amorphe Oxid-Ferroelektrik-Geräte eröffnet, die vielversprechend für Multi-Gate (fin-förmig, Nanodraht oder Nanosheet) NVFETs mit potenziell nano-skalliertem Fin-Pitch in VLSI-Systemen sind.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

Al₂O₃:

Aluminiumoxid

ALD:

Atomare Lageabscheidung

BF₂⁺:

Borfuorid-Ion

E_c:

Koerzitives elektrisches Feld

Ge:

Germanium

GeO_x:

Germaniumoxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

I_DS:

Drainstrom

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

MW:

Speicherfenster

Ni:

Nickel

NVFET:

Nicht-flüchtiger Feldeffekttransistor

P_r:

Remanenzpolarisation

P_sat:

Sättigungspolarisation

RTA:

Schnelles thermisches Glühen

TaAlO_x:

Tantal-Aluminiumoxid

t_AlO:

Aluminiumoxid-Dicke

TaN:

Tantalnitrid

V_GS:

Gate-Spannung

V_TH:

Schwellenspannung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie