Ferroelektrikähnliches Verhalten ausgehend von Sauerstoffleerstellen-Dipolen in amorphem Film für nichtflüchtige Speicher

Hintergrund

Ferroelektrischer Direktzugriffsspeicher (FeRAM) basierend auf herkömmlichen Perowskit-Ferroelektrika (z. B. PZT) war einer der kommerziellen nichtflüchtigen Speicher (NVMs) [1], obwohl er nicht skaliert und nicht CMOS-kompatibel ist. Ferroelektrizität wurde weithin in einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien beobachtet, z. B. in den Aortenwänden von Schweinen [2], Sb₂ S₃ Nanodrähte [3], GaFeO₃ Film [4], dotiertes Poly-HfO₂ Filme [5], nanokristalline Hydroxyapatitfilme [6] und LaAlO₃ -SrTiO₃ filmen [7]. Unter diesen Materialien ist dotiertes HfO₂ Filme haben aufgrund ihrer CMOS-Prozesskompatibilität besonderes Interesse für die NVM-Anwendung geweckt. Aber die polykristalline Struktur ist unvermeidlich, um in dotiertem HfO₂ . Ferroelektrizität zu erzeugen , die folgende Hindernisse für die Geräteanwendung zu überwinden brachte:1) es ist nicht kompatibel mit der Gate-Last-Prozessierung im Hinblick auf das thermische Budget von 500 °C, das erforderlich ist, um orthorhombische Kristallphasen zu bilden [8]; 2) Der Stromverbrauch wird durch unerwünschten Leckstrom entlang der Korngrenzen induziert, der exponentiell zusammen mit der Verkleinerung der ferroelektrischen Dicke ansteigt. Kürzlich wurde in einer theoretischen Studie vorgeschlagen, dass die zusätzliche Ferroelektrizität in dickem Poly-HfO₂ (>5 nm) kann von den weitreichenden Korrelationen bei der Anordnung elektrischer Dipole herrühren, die durch Sauerstoffleerstellen erzeugt werden [9]. Es wurde beobachtet, dass der Mechanismus zum Einfangen/Entpacken von Defektladungen das ferroelektrische Verhalten in einem 5 nm dicken amorphen Al₂ . erzeugt O₃ für einen Mehrzustandsspeicher, der jedoch unter einer sehr niedrigen Trapping/Detrapping-Frequenz leidet (z. B. ~500 Hz) [10].

In dieser Arbeit wird ein stabiles ferroelektrisches Verhalten in einem 3,6 nm dicken amorphen Al₂ . demonstriert O₃ Film, bei dem die schaltbare Polarisation (P ) wird vorgeschlagen, durch die spannungsmodulierten Sauerstoff-Leerstellen-Dipole induziert zu werden. Das amorphe Al₂ O₃ Film besitzt die Vorteile einer niedrigen Prozesstemperatur und einer Betriebsfrequenz von bis zu ~GHz, die einen nichtflüchtigen Multi-Gate-Feldeffekttransistor (NVFET) mit einem Finnenabstand im Nanometerbereich ermöglichen. Al₂ O₃ NVFET-Speicher mit 100-ns-Pulsweiten-Programmier-/Löschspannungen (P/E) und über 10 ⁶ Die Ausdauer der P/E-Zyklen wird demonstriert. Die Auswirkungen von Elektroden und Filmdicke auf den P in Al₂ O₃ Kondensatoren werden ebenfalls untersucht. Die amorphen nichtflüchtigen Bauelemente weisen eine vielversprechende Zukunft bei VLSI-Speichern auf.

Methoden

Amorphes Al₂ O₃ Filme wurden auf Si(001), Ge(001) und TaN/Si-Substraten durch Atomlagenabscheidung (ALD) gezüchtet. TMA und H₂ Als Vorläufer von Al bzw. O wurden O-Dampf verwendet. Während der Abscheidung wurde die Substrattemperatur auf 300 °C gehalten. Auf Al₂ . wurden verschiedene obere Metallelektroden abgeschieden, darunter TaN/Ti, TaN und W O₃ Oberflächen durch reaktives Sputtern. Kondensatoren mit unterschiedlichen Elektroden wurden durch lithographisches Strukturieren und Trockenätzen hergestellt. Rapid Thermal Annealing (RTA) bei 350 °C für 30 s wurde durchgeführt. NVFETs mit TaN/Al₂ O₃ Gatestapel wurden auf Ge(001) hergestellt. Nach der Gate-Bildung wurden Source/Drain (S/D)-Gebiete durch BF₂ . implantiert ⁺ mit einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 und einer Energie von 20 keV und 20 nm dicke Nickel-S/D-Metallelektroden wurden dann durch den Abhebeprozess gebildet. Abbildung 1a und b zeigen die schematische Darstellung des hergestellten Al₂ O₃ Kondensator und den p-Kanal-NVFET. Zwischen der Elektrode und dem Al₂ . befindet sich eine Grenzschicht (IL) O₃ Film. Abbildung 1c und d zeigen die hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop(HRTEM)-Bilder des TaN/Al₂ O₃ /Ge-Stapel mit unterschiedlichem amorphem Al₂ O₃ Dicken (t _AlO ) nach einer RTA bei 350 °C.

Schema der hergestellten a Al₂ O₃ Kondensatoren mit verschiedenen Elektroden und b Al₂ O₃ NVFET. c und d HRTEM-Bilder des hergestellten TaN/Al₂ O₃ /Ge-Stacks mit verschiedenen t _AlO , zeigt das amorphe Al₂ O₃ Filme nach einem RTA bei 350 °C

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt das gemessene P vs. Spannung V Eigenschaften für das amorphe Al₂ O₃ Kondensatoren mit unterschiedlichen t _AlO und verschiedene obere und untere Elektroden. Die Messfrequenz beträgt 1 kHz. Wie in Abb. 2a–c gezeigt, mit festen 3,6 nm von t _AlO , TaN/Al₂ O₃ /Ge-Kondensator erreicht eine höhere Sättigung P (P _Sat ) im Vergleich zu den Geräten mit TaN/Ti- und W-Top-Elektroden. Das ferroelektrische Verhalten korreliert stark mit Grenzflächen, und es wird vermutet, dass die Bildung von TaAlO_x IL zwischen TaN und Al₂ O₃ produziert mehr Sauerstoffleerstellen, was zu einem stärkeren Umschalten von P . beiträgt , verglichen mit dem TiAlO_x und WAlO_x ILs. P-V Kurven in Abb. 2d zeigen, dass TaN/Al₂ O₃ /TaN-Kondensator hat einen viel höheren P _Sat im Vergleich zu TaN/Al₂ O₃ /Ge, was darauf zurückgeführt wird, dass duales TaAlO_x ILs bieten eine höhere Sauerstoffleerstellenkonzentration. Während P _Sat ist im Vergleich zur Ge-Elektrode deutlich niedriger als bei der unteren Elektrode aus Si (Abb. 2e). Dieses Ergebnis zeigt an, dass Al₂ O₃ Die Qualität der /Si-Grenzfläche ist besser, d. h. weniger Sauerstoff-Leerstellen, verglichen mit der von der Vorrichtung basierend auf einem Ge-Substrat. Abbildung 2f zeigt den P-V Kurven eines TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/Ge-Kondensator mit einem höheren V _c und ein fast identisches P _Sat im Vergleich zum Gerät mit 3,6 nm Al₂ O₃ Film in Abb. 2b. Es wird darauf hingewiesen, dass der Grund für das nicht geschlossene P -V Schleifen liegt daran, dass tatsächlich ein Leck vorhanden ist. Es wurde berichtet, dass der große Offset bei einem elektrischen Feld von Null immer bei einem großen Feld auftrat und mit dem kleineren Sweep-Bereich von V . immer allmählich verschwand [11, 12].

Gemessener P vs. V Eigenschaften des Al₂ O₃ Kondensatoren mit unterschiedlichen Elektroden. a , b , und c zeigt das P -V Kurven von TaN/Ti/Al₂ O₃ /Ge, TaN/Al₂ O₃ /Ge und W/Al₂ O₃ /Ge bzw. mit einem 3,6-nm-t _AlO . d und e zeigt, dass das P _Sat wird verbessert (reduziert), indem TaN(Si) als untere Elektrode anstelle von Ge verwendet wird. f TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/Ge-Kondensator hat eine höhere V _c und ein ähnliches P _Sat im Vergleich zum 3,6-nm-dicken Gerät in b . g und h Ausdauermessungen zeigen keine Verschlechterung von P _r und V _c beobachtet nach 10 ⁴ Sweep-Zyklen für einen TaN/Al₂ O₃ (3,6 nm)/Ge-Kondensator

Abbildung 2g und h zeigen die extrahierte Entwicklung des positiven und negativen Rests P (P _r ) und Zwang V (V _c ) Werte über 10 ⁴ Sweep-Zyklen für einen TaN/Al₂ O₃ /Ge-Kondensator. Es wird kein Aufwach-, Abdruck- oder Ermüdungseffekt beobachtet. V _c des Geräts beträgt ~1,8 V, was darauf hinweist, dass das E in der Al₂ O₃ Film beträgt 4~6 MV/cm und kann in den ILs 8 MV/cm überschreiten, was hoch genug ist, um die Sauerstoffleerstellen zu treiben [13, 14]. P _Sat der Geräte reicht von 1 bis 5 μC/cm ² , entsprechend einer angemessenen Sauerstoffleerstellenkonzentration im Bereich von 3~15×10 ¹² cm ^-2 vorausgesetzt, sie haben eine Ladung von plus zwei.

Der zugrunde liegende Mechanismus für ferroelektrisches Verhalten im Zusammenhang mit Sauerstoffleerstellen in Al₂ O₃ Geräte diskutiert. Die Migration der spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen wurde in resistiven Direktzugriffsspeichervorrichtungen umfassend demonstriert [15, 16]. Abbildung 3 zeigt den Schaltplan des schaltbaren P in TaN/Al₂ O₃ /Ge, das aus der Segregation von spannungsmodulierten Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen zu den elektrischen Dipolen entsteht. Daraus lässt sich schließen, dass die beweglichen Sauerstoffleerstellen hauptsächlich aus der Bildung von TaAlO_{x . resultieren} IL und befinden sich im Ausgangszustand in der Nähe der oberen Grenzfläche (Abb. 3a). Abbildung 3b und c zeigen, wie das positive und negative P werden mit der Modulation der Sauerstoffleerstelle bzw. negativen Ladungsdipole unter der angelegten Spannung gebildet. Röntgenphotoelektronenspektren (XPS) von Al₂ O₃ /Ge und (Ti, TaN und W)/Al₂ O₃ /Ge-Proben werden gemessen und in Abb. 4 gezeigt). Für alle Metalle/Al₂ O₃ /Ge-Proben bildet sich ein Metalloxid IL zwischen Metall und Al₂ O₃ , die als Reservoir für Sauerstoffionen und Leerstellen vorgeschlagen werden, was mit Lit. [17].

Schematische Darstellung des Mechanismus für ferroelektrisches Verhalten in Al₂ O₃ Kondensatoren. Umschaltbares P ist auf die Migration von Sauerstoffleerstellen und negativen Ladungen zu Dipolen zurückzuführen

XPS-Spektren auf Kernebene von a Al₂ O₃ /Ge, b TaN/Al₂ O₃ /Ge, c Ti/Al₂ O₃ /Ge und d W/Al₂ O₃ /Ge-Proben

Zur Charakterisierung der elektrischen Leistung von Al₂ O₃ NVFET als NVM, Programm-(Lösch-)Betrieb wird durch Anlegen positiver (negativer) Spannungsimpulse an das Gate erreicht, um seine Schwellenspannung (V .) zu erhöhen (zu senken). _TH ). Abbildung 5a zeigt, wie die Übertragungseigenschaften des Al₂ . im linearen Bereich O₃ NVFET-Verschiebung relativ zum anfänglichen I _DS -V _GS Kurve gemessen mit ±4 V Programmierspannungen (Löschspannungen) mit 100 ns Pulsbreite. Hier, V _TH ist definiert als V _GS bei 100 nA⋅W/L, und MW ist definiert als die maximale Änderung von V _TH . Die Al₂ O₃ NVFET erreicht ein MW von 0,44 V, obwohl amorphes Al₂ O₃ Film hat kleinere P _r als das berichtete dotierte HfO₂ Filme [5, 8]. Es wird darauf hingewiesen, dass die hohe Betriebsfrequenz von bis zu 10 MHz von Al₂ O₃ NVFET-Speicher, der auf das schaltbare P hinweist in Al₂ O₃ stammt von der Wanderung von spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellen zur Bildung von Dipolen, nicht von Ladungseinfang/-detrapping-Defekten. An das Al₂ . wurden abwechselnd Programmier- und Löschimpulse angelegt O₃ Geräte, um die Gerätelebensdauer weiter zu untersuchen. Abbildung 5b zeigt die Diagramme von V _TH vs. P/E-Zykluszahl, was darauf hindeutet, dass ein stabiles MW ohne signifikante Verschlechterung über 10 ⁶ . aufrechterhalten werden kann P/E-Zyklen für ein 3,6 nm dickes Al₂ O₃ NVFET.

a Gemessen I _DS -V _GS Kurven eines 3,6 nm dicken Al₂ O₃ NVFET für den Anfangs- und zwei Polarisationszustände. Es wird ein MW von 0,44 V erhalten. b Die Ausdauermessung zeigt, dass nach 10 ⁶ . kein MW-Abbau beobachtet wird P/E-Zyklen

Bemerkenswert ist das bei amorphem Al₂ . beobachtete ferroelektrische Verhalten O₃ Geräte können auf die universellen amorphen Oxide erweitert werden, z. B. Hafniumoxid (HfO₂ ) und Zirkonoxid (ZrO₂ ).

Schlussfolgerungen

Stabiles ferroelektrisches Verhalten wird erstmals in Kondensatoren mit einem dünnen amorphen Al₂ . realisiert O₃ Isolator. Umschaltbares P in amorphem Al₂ O₃ Kondensatoren wird durch P-V . demonstriert Schleifen und NVFET-Test. Es wird vermutet, dass das ferroelektrische Verhalten von den Sauerstoffleerstellen an der Grenzfläche und den Ionendipolen herrührt. Das 3,6 nm dicke Al₂ O₃ NVFET erreicht ein MW von 0,44 V und über 10 ⁶ Zyklenfestigkeit unter ±4 V bei 100 ns P/E-Bedingung. Alles in allem eröffnete diese Arbeit eine neue Welt für ferroelektrische Bauelemente aus amorphen Oxiden, die für Multi-Gate-NVFETs (Flossenform, Nanodraht oder Nanoblatt) mit potenziell nanoskaligem Finnenabstand in VLSI-Systemen vielversprechend sind.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂ ⁺ :

Borfluoridion

E _c :

Elektrisches Koerzitivfeld

Ge:

Germanium

GeO_x :

Germaniumoxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

I _DS :

Strom entziehen

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

MW:

Speicherfenster

Ni:

Nickel

NVFET:

Nichtflüchtiger Feldeffekttransistor

P _r :

Restpolarisation

P _Sat :

Sättigungspolarisation

RTA:

Vergütetes thermisches Glühen

TaAlO_x :

Tantal-Aluminiumoxid

t _AlO :

Korunddicke

TaN:

Tantalnitrid

V _GS :

Gate-Spannung

V _TH :

Schwellenspannung

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektren