Nutzung schaltbarer Sauerstoffvacanz-Dipole für robuste ZrO₂-Ferroelektrische Feldeffekttransistoren

Zusammenfassung

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen von nachträglichem schnellem thermischem Ausheilen (RTA) und der Dicke von ZrO₂ auf die Polarisation P und die elektrischen Eigenschaften von TaN/ZrO₂/Ge-Kondensatoren und FeFETs. Nach RTA im Bereich von 350 bis 500 °C zeigen TaN/ZrO₂/Ge-Kondensatoren mit 2,5 und 4 nm dicken amorphen ZrO₂-Filmen eine stabile P. Es wird vorgeschlagen, dass das ferroelektrische Verhalten auf der Migration von spannungsgetriebenen Dipolen beruht, die durch Sauerstoffvacanzen und negative Ladungen gebildet werden. FeFETs mit 2,5 nm, 4 nm und 9 nm ZrO₂ demonstrieren ein anständiges Speicherfenster (MW) mit 100 ns Programmier-/Löschpulsen. Ein 4-nm-dicker ZrO₂ FeFET zeigt signifikant verbesserte Ermüdungs- und Retentionsmerkmale im Vergleich zu Geräten mit 2,5 nm und 9 nm ZrO₂. Die Retentionsleistung des ZrO₂ FeFET kann mit steigender RTA-Temperatur verbessert werden. Ein MW von ~ 0,46 V wird für das Gerät mit 4 nm ZrO₂ über 10 Jahre extrapoliert.

Hintergrund

Dotierte poly-HfO₂ ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) haben aufgrund ihrer CMOS-Prozesskompatibilität großes Interesse für Nichtflüchtige-Speicher-Anwendungen (NVM) geweckt. Obwohl anständige elektrische Leistung in dotierten HfO₂-basierten FeFETs demonstriert wurde, plagen einige fundamentale Einschränkungen noch ihre praktischen Anwendungen, einschließlich des hohen thermischen Budgets von 500 °C Ausheilen, das erforderlich ist, um orthorhombische Kristallphasen zu bilden, und des unerwünschten Leckstroms entlang der Korngrenzen bei der Skalierung der ferroelektrischen Dicke. Ferroelektrizität wurde in einer Vielzahl von Materialien beobachtet, z. B. Sb₂S₃ Nanodrähte, GaFeO₃ Film, LaAlO₃-SrTiO₃ Film und amorphes Al₂O₃ mit Nanokristallen. Kürzlich berichteten wir über FeFETs mit teilkristallisiertem ZrO₂ Gate-Isolator, der als NVM und analoges Synapse funktioniert. Obwohl die ZrO₂ Transistoren anständige elektrische Leistung mit geringerer Dicke im Vergleich zu berichteten dotierten HfO₂ aufwiesen, bleibt der zugrunde liegende Mechanismus für die Ferroelektrizität im ZrO₂ Film unklar. Es ist kritisch und wichtig, den Ursprung der schaltbaren Polarisation P für die Bewertung der Leistungsgrenzen von ZrO₂ FeFETs zu klären.

In dieser Arbeit werden TaN/ZrO₂/Ge FeFETs mit 2,5 nm, 4 nm und 9 nm dicken Isolatoren hergestellt. Die schaltbare P in TaN/ZrO₂/Ge-Kondensatoren wird auf die Migration von spannungsgetriebenen Sauerstoffvacanzen und negativen Ladungen zurückgeführt. Die Auswirkungen der ZrO₂ Dicke und des nachträglichen schnellen thermischen Ausheilens (RTA) auf die P von TaN/ZrO₂/Ge und das Speicherfenster (MW), die Ausdauer und die Retentionsmerkmale von FeFETs werden untersucht.

Methoden

FeFETs mit ZrO₂ Gate-Isolator wurden auf 4-Zoll n-Ge(001) Substrat mit einem ähnlichen Prozess wie in [8, 9] hergestellt. Nach der Vor-Gate-Reinigung in verdünnter HF (1:50) Lösung wurden Ge-Wafer in eine Atomlagenabscheidung (ALD) Kammer geladen. ZrO₂ Filme mit Dicken von 2,5 nm, 4 nm und 9 nm wurden bei 250 °C mit TDMAZr und H₂O als Vorläufer für Zr und O abgeschieden. Ein 100-nm-dicker TaN Gate-Elektrode wurde durch reaktives Sputtern abgeschieden. Nach der Gate-Elektrodenbildung wurden die Source/Drain (S/D) Bereiche durch BF₂⁺ bei einer Dosis von 1 × 10¹⁵ cm⁻² und einer Energie von 20 keV implantiert. Insgesamt 15 nm Nickel (Ni) S/D Kontakte wurden durch einen Lift-off-Prozess gebildet. Schließlich wurde RTA bei 350, 450 und 500 °C für 30 s durchgeführt.

Abbildung 1a zeigt das Schema des hergestellten Transistors. Abbildung 1b–d zeigen Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bilder der TaN/ZrO₂/Ge Stapel mit 2,5, 4 und 9 nm dickem ZrO₂. Alle Proben wurden einem RTA bei 500 °C für 30 s unterzogen. Die 2,5 nm ZrO₂ Probe bleibt nach dem Ausheilen ein Isolatorfilm. Für die 4 nm Probe werden zwar einige Nanokristalle beobachtet, ZrO₂ bleibt jedoch eine amorphe Schicht. Während für den 9 nm ZrO₂ Film vollständige Kristallisation auftritt. Bemerkenswert ist, dass eine Grenzflächenschicht (IL) aus GeO_x zwischen dem ZrO₂ und dem Ge-Kanalbereich existiert, obwohl sie zu dünn ist, um in den TEM-Bildern beobachtet zu werden.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2 zeigt die P vs. Spannung (V) Kurven für die TaN/ZrO₂/Ge-Kondensatoren mit unterschiedlichen ZrO₂ Dicken und verschiedenen Ausheiltemperaturen. Die durchgezogenen Linien in verschiedenen Farben repräsentieren die Minor-Loops mit verschiedenen Spannungsbereichen (V_range). Die Messfrequenz beträgt 1 kHz. Die 2,5 nm und 4 nm ZrO₂ Geräte können stabile Ferroelektrizität nach einem RTA bei 350 °C zeigen. Abbildung 3 stellt den Restpolarisation P_r als Funktion des Sweeping V-Bereichs für die Kondensatoren dar, die bei verschiedenen Temperaturen ausgeheilt wurden.

Abbildung 3 zeigt den Vergleich von P_max als Funktion von V_range für die TaN/ZrO₂/Ge-Kondensatoren mit unterschiedlichen ZrO₂ Dicken und verschiedenen RTA-Temperaturen. Für die 4 nm ZrO₂ Geräte wird mit steigender Ausheiltemperatur von 350 auf 450 °C ein größerer V_range benötigt, um ein festes P_max zu erhalten. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die höhere Ausheiltemperatur dickere Grenzflächenschichten (ILs) an den Ge/ZrO₂ und ZrO₂/TaN Grenzflächen erzeugt, was zu einer größeren vereinheitlichten Kapazitätsäquivalentdicke (CET) führt. Für die 2,5 nm ZrO₂ Kondensatoren hat die Probe mit 500 °C Ausheilung einen niedrigeren V_range als die 350 °C Ausheilungsprobe bei gleichem P_max. Obwohl die ILs mit steigender RTA-Temperatur dicker werden, wird etwas ZrO₂ durch Sauerstoff-Scavenging und Interdiffusion an der Grenzfläche verbraucht. Für das sehr dünne ZrO₂ Gerät dominiert der letztere Effekt. Im Vergleich zum 2,5 nm ZrO₂ Kondensator wird ein viel größerer V_range benötigt, um ein ähnliches P_max zu erreichen. Der 9 nm ZrO₂ Kondensator zeigt jedoch nicht den höheren V_range im Vergleich zum 4 nm Gerät. Dies liegt daran, dass der kristalline ZrO₂ einen viel höheren κ-Wert hat als der amorphe Film, was die CET des 9 nm Geräts signifikant reduziert.

Abbildung 4a zeigt die extrahierte Entwicklung der positiven und negativen P_r, bezeichnet als P_r⁺ und P_r⁻, für die 4 nm dicken ZrO₂ Kondensatoren mit RTA bei verschiedenen Temperaturen über 10⁶ Sweeping-Zyklen, gemessen bei 1 kHz. Geräte, die bei 350 °C und 450 °C ausgeheilt wurden, zeigen einen offensichtlichen Wake-up-Effekt. Kein Wake-up oder Imprint wird für den 4 nm ZrO₂ ferroelektrischen Kondensator beobachtet, der bei 500 °C ausgeheilt wurde. Abbildung 4b vergleicht P_r als Funktion der Sweeping-Zyklen für die Geräte mit unterschiedlichen ZrO₂ Dicken. Der 4 nm ZrO₂ ferroelektrische Kondensator erreicht eine verbesserte Stabilität der P_r Ausdauer im Vergleich zu den 2,5 nm und 9 nm Geräten während des 10⁶ Ausdauertests.

Die Schaltbare P wird in amorphen ZrO₂ Kapazitäten beobachtet, und es wird geschlossen, dass der Mechanismus sich von dem der berichteten dotierten poly-HfO₂ ferroelektrischen Filme unterscheiden muss. Wir schlagen vor, dass der zugrunde liegende Mechanismus für das ferroelektrische Verhalten mit Sauerstoffvacanz-Dipolen zusammenhängt. Es ist bekannt, dass bei Abscheidung von TaN-Metall die Ta-Sauerstoff-Scavenger-Schichten die Sauerstoffvacanzkonzentration innerhalb von ZrO₂ erhöhen. Sauerstoffvacanzen erscheinen auch an der ZrO₂/Ge-Grenzfläche. Abbildung 5 zeigt die Schemata der schaltbaren P in TaN/ZrO₂/Ge, die auf der Migration von Sauerstoffvacanzen und negativen Ladungen zur Bildung von positiven und negativen Dipolen beruht. Es wird spekuliert, dass die negativen Ladungen in ZrO₂ mit Zr-Vakanzen zusammenhängen, was ähnlich wie in Al₂O₃ Filmen ist. Die Migration von spannungsgetriebenen Sauerstoffvacanzen wurde in resistiven Random-Access-Memory-Geräten breit demonstriert. Bemerkenswert ist, dass dies die erste Demonstration von dreipoligen nichtflüchtigen Transistoren ist, die von spannungsgetriebenen Sauerstoffvacanzen dominiert werden.

Die P-V-Hysteres ermöglicht den ZrO₂ FeFETs, ein großes und stabiles MW für eingebettete NVM (eNVM) Anwendungen zu erhalten. Abbildung 6 zeigt die gemessenen I_DS-V_GS Kurven der 2,5, 4 und 9 nm ZrO₂ FeFETs für die beiden Polarisationzustände mit 1 µs Programmier-/Lösch (P/E) Bedingungen. Die Transistoren wurden bei 500 °C ausgeheilt. Programmier- (Lösch-) Operation wird durch Anlegen positiver (negativer) Spannungspulse an das Gate der ZrO₂ FeFETs erreicht, um die Schwellenspannung (V_TH) zu erhöhen (zu verringern). V_TH ist definiert als V_GS bei 100 nA·W/L, und MW ist definiert als die maximale Änderung in V_TH. Alle FeFETs mit verschiedenen ZrO₂ Dicken haben ein MW über 1 V mit 1 µs P/E Pulsen. Um ein ähnliches MW zu erreichen, wird eine höhere Löschspannung für den 9 nm ZrO₂ FeFET im Vergleich zu den anderen beiden Transistoren benötigt. Es ist zu sehen, dass eine größere Betrag der negativen Lösch-V_GS erforderlich ist, um die grob gleiche Verschiebung von I-V relativ zur Anfangskurve im Vergleich zur positiven Programm-V_GS zu erhalten. Es wird spekuliert, dass die Sauerstoffvacanzen, die zur P beitragen, hauptsächlich aus der Reaktion zwischen TaN und ZrO₂ stammen, wie der Anfangszustand des Geräts in Abb. 5a. Wenn eine positive V_GS (Programm) angelegt wird, diffundieren und akkumulieren die Sauerstoffvacanzen in der Schicht nahe der ZrO₂/Ge-Grenzfläche (Abb. 5b), wo die Verteilung der Sauerstoffvacanz-Dipole sich stark vom Anfangszustand unterscheidet. So ist es einfach, die I-V-Kurve zu einem höheren |V_TH| mit einer positiven V_GS zu verschieben. Wenn jedoch eine negative V_GS (Lösch) angelegt wird, bringt die Rückdiffusion der Sauerstoffvacanzen den Gate-Stapel zurück in seinen ursprünglichen Zustand (Abb. 5c). Daher muss der Betrag der negativen Lösch-V_GS erhöht werden, um die äquivalente Verschiebung von I-V zur positiven Programm-V_GS zu erreichen.

Bei Reduzierung der P/E-Pulsbreite auf 100 ns demonstrieren die ZrO₂ FeFETs immer noch ein anständiges MW, wie in Abb. 7a gezeigt. Insbesondere erreicht der Transistor mit 2,5 nm ZrO₂, ausgeheilt bei 350 °C, ein MW von 0,28 V. Abbildung 7b zeigt MW vs. Zyklenzahl für die FeFETs mit verschiedenen ZrO₂ Dicken mit 100 ns P/E Pulsbedingungen. Das 4 nm ZrO₂ Gerät erreicht eine signifikant verbesserte Ausdauerleistung im Vergleich zu den 2,5 nm und 9 nm ZrO₂ FeFETs, die offensichtliche Wake-up-Effekte und Ermüdung innerhalb von 10³ Zyklen zeigen.

Schließlich wird die Retentionstestung der ZrO₂ FeFETs charakterisiert und in Abb. 8 und 9 gezeigt. Abbildung 8a zeigt die Entwicklung der I_DS-V_GS Kurven für die beiden Polarisationzustände der 4 nm ZrO₂ FeFETs, die RTA bei 350, 450 und 500 °C durchliefen. Ladungstrapping führt zur Reduktion der Geräte mit der Zeit. Wie in Abb. 8b gezeigt, kann die Retentionsleistung der Geräte mit steigender RTA-Temperatur verbessert werden. Ein MW von ~ 0,46 V wird für das Gerät mit 4 nm ZrO₂, ausgeheilt bei 500 °C, über 10 Jahre extrapoliert. Abbildung 9 vergleicht die Retentionsmerkmale der FeFETs mit unterschiedlichen ZrO₂ Dicken. Das 4 nm ZrO₂ Gerät hat eine verbesserte Retentionsleistung im Vergleich zu den Transistoren mit 2,5 und 9 nm dickem ZrO₂.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend werden amorphe ZrO₂ ferroelektrische Kondensatoren experimentell demonstriert, und die Ferroelektrizität wird auf die Migration von spannungsgetriebenen Dipolen, gebildet durch Sauerstoffvacanzen und negative Ladungen, zurückgeführt. FeFETs mit 2,5 nm, 4 nm und 9 nm ZrO₂ haben ein MW über 1 V mit 1 µs P/E Pulsen. Die verbesserten Ermüdungs- und Retentionsmerkmale werden im 4 nm dicken ZrO₂ FeFET im Vergleich zu den Geräten mit 2,5 nm und 9 nm ZrO₂ erzielt. Der Retentionstest zeigt, dass der 4 nm ZrO₂ Transistor ein extrapoliertes 10-Jahres-MW von ~ 0,46 V beibehält.