Nanocrystal-Embedded-Insulator (NEI) ferro-elektrische FET's voor apparaten met negatieve capaciteit en toepassingen met niet-vluchtig geheugen

Resultaten en discussie

NEI NCFET

Afbeelding 7a toont gemeten I _DS -V _GS curven van de NEI NCFET's met een NEI-dikte van 3,6 nm gegloeid bij 450 ° C en 500 ° C. De NCFET's vertonen weinig hysterese, wat wijst op de goede afstemming tussen de ferro-elektrische capaciteit en de MOS-capaciteit in de transistoren. De NCFET's tonen het NC-effect dat met de klok mee wordt geïnduceerd I-V lussen, wat in contrast staat met de tegen de klok in lussen door ladingsopsluiting/detrapping [17]. De poortlekkage I _G als een functie van V _GS van hetzelfde paar apparaten toont aan dat de vorming van nanokristallen in Al₂ O₃ verhoogt de poortlekkage niet. Figuur 7b laat zien dat de NCFET's de steile SS-punten van minder dan 60 mV/decennium bereiken voor de voorwaartse en achterwaartse zwaaibewegingen. De SS-fluctuaties in de NEI NCFET, ook waargenomen in NC FinFET's [2, 18], kunnen te wijten zijn aan de polarisatieomschakeling door de verschillende ferro-elektrische nanokristallen of domeinen. De gemeten I _DS -V _DS krommen voor hetzelfde paar apparaten in Fig. 7c laten zien dat bij ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1.0 V, de NCFET met RTA bij 500 °C bereikt 29% groter I _DS in vergelijking met de bij 450 °C gegloeide transistor. Dit wordt toegeschreven aan het feit dat de mobiliteit van de drager in kanaal- en contactweerstandskarakteristieken kan worden verbeterd met de toenemende gloeitemperatuur [19]. Het typische kenmerk dat wordt veroorzaakt door de ferro-elektrische laag, negatieve differentiële weerstand (NDR), wordt waargenomen in de I _DS -V _DS curven voor de NCFET's gegloeid bij de verschillende temperaturen.

een Gemeten I _DS -V _GS en ik _G -V _GS curven van NCFET's met 3,6-nm NEI gegloeid bij 450 ° C en 500 ° C. b NEI NCFET's heeft de sub-60 mV/decade punten voor een V _DS waarde van − 0,05 V. c Ik _DS -V _DS curven voor de NEI NCFET's die de voor de hand liggende NDR-verschijnselen tonen. NC-transistor gegloeid bij 500 °C bereikt een I . van 29% _DS verbetering ten opzichte van het apparaat met RTA bij 450 °C bij een voedingsspanning van 1,0 V

Afbeelding 8a toont gemeten I _DS -V _GS curven van een NEI NCFET en een controle MOSFET met dezelfde isolatordikte van 2,1 nm. Apparaten hebben een L _G van 6 urn. De NCFET vertoont de hysteresevrije eigenschappen. De inzet toont het punt SS vs. I _DS curven voor de apparaten, wat aantoont dat verbeterde SS wordt bereikt in de NCFET in vergelijking met het besturingsapparaat, tot aan de drempelspanning. Afbeelding 8b toont de I _DS -V _DS curven van de NEI NCFET en de controle MOSFET. NCFET vertoont het NDR-fenomeen voor de lage V _GS . Het NDR-effect komt overeen met de verbeterde drain-geïnduceerde barrière-verlagende (DIBL) kenmerken in NCFET in vergelijking met de controle-MOSFET, zoals weergegeven in figuur 8a. Bij ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1.0 V, een 16% I _DS verbetering wordt verkregen in NCFET in vergelijking met het besturingsapparaat. NCFET met 2,1 nm NEI heeft de minder significante NDR vergeleken met de transistor met 3,6 nm NEI, wat consistent is met de conclusie in [20].

een Ik _DS -V _GS curven van een NEI NCFET en controle MOSFET met pure Al₂ O₃ diëlektrisch. Beide apparaten hebben de 2.1-nm gate-isolator. De inzet laat zien dat de NCFET een steilere SS heeft dan het regelapparaat tot aan de drempelspanning. b Gemeten I _DS -V _DS curven voor NCFET en besturings-MOSFET. NDR wordt waargenomen voor NCFET bij zeer lage V _GS . Bij ∣V _GS − V _TH ∣  =  ∣ V _DS ∣  = 1,0 V, NCFET behaalt een I . van 16% _DS verbetering vergeleken met het controleapparaat

De temperatuurafhankelijkheid van de NCFET met 3,6 nm dikke NEI wordt hierin onderzocht. Afbeelding 9a toont I _DS -V _GS curven gemeten bij 10 °C en 30 °C. Inzet geeft aan dat de SS-prestaties van de transistor niet verslechteren bij de verhoogde temperaturen. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt de I -V curve verschuift naar meer negatieve V _GS vanwege het dominante effect van ferro-elektriciteit, wat tegengesteld is aan de trend voor een conventionele MOSFET. Figuur 9b geeft een samenvatting van de verschuivingen in hysteresisspanning en voorwaartse schakeldrempelspanning met temperatuur. Doorsturen V _GS verschuift naar meer negatieve waarden naarmate de temperatuur stijgt, wat te wijten kan zijn aan verhoogde E _c van de NEI.

een Ik _DS -V _GS van een NEI (3,6 nm) NCFET gemeten bij 10 °C en 30 °C. De curven laten, zoals verwacht, een verschuiving zien naar meer negatieve spanning met toenemende temperatuur. Inzet toont steile punt SS. b Statistische grafieken van hysterese (links) en voorwaartse V _GS @ 10 ⁻⁷ A/μm (rechts) voor NCFET's met 3,6-nm NEI-laag. Doorsturen V _GS verschuift in de negatieve richting met toenemende temperatuur

NEI FeFET voor toepassing met niet-vluchtig geheugen

Door het bereik van V . te vergroten _GS vegen, kan de hysteresisspanning van een NEI FeFET worden verhoogd om een ​​groot en stabiel geheugenvenster (MW) te bereiken voor lees- en schrijfbewerkingen. Zoals getoond in Fig. 10, toont een FeFET met 3,6-nm NEI aan dat de MW toeneemt van 0,2 tot 1,14 V als V _GS veegbereik varieert van (0,1 V, − 0,1 V) tot (1 V, − 2 V). Het uithoudingsvermogen van de DC-zwaai van een andere FeFET-geheugeninrichting wordt getoond in figuur 11a, en figuur 11b illustreert de hysteresekarakteristieken als een functie van het aantal DC-zwaaicycli. Stabiele I-V hysteresevenster van ~ 0,65 V wordt gezien.

Voor een grote V _GS DC-zwaaibereik, een MW van 1,14 V wordt waargenomen voor de NEI (3,6 nm) FeFET

een Gemeten I _DS -V _GS curven voor NEI (3,6 nm) FeFET, door 1000 DC-veegcycli. b DC sweeping duurzaamheidsmetingen tonen aan dat de NEI FeFET een stabiel MW heeft gedurende 1000 cycli

Figuur 12 vergelijkt het NEI FeFET-geheugenapparaat met gerapporteerde FeFET's, met betrekking tot MW- en FE-laagdikte [8, 21-24]. Opgemerkt moet worden dat het NEI FeFET-apparaat in dit werk een aanzienlijke (>-1 V) MW bereikt met de dunste gerapporteerde FE-dikte van 3,6 nm. We speculeren dat het gemakkelijker is om de stabiele FE-fase in NEI te bereiken met een kleinere dikte, in vergelijking met de gedoteerde HfO₂ [28,29,30].

Benchmarking van NEI FeFET-geheugenapparaat tegen gerapporteerde FeFET's, met betrekking tot MW en t _FE . Dunste FE wordt bereikt door NEI FeFET-geheugenapparaat

Tot slot, de voordelen van de NEI FeFET geleverd door ZrO₂ nanokristallen ingebed in amorfe poortisolator worden besproken. Figuur 13 vergelijkt de NEI-laag met gerapporteerde gedoteerde HfO₂ films [2, 3, 21, 25–27], met betrekking tot E _c en P _r . NEI kan een veel lagere P . behalen _r vergeleken met gedoteerde HfO₂ voor soortgelijke E _c . Onze experimenten hebben aangetoond dat een P _r onder 1 μC/cm ² kan de vereiste MW in de FeFET's leveren. Overmatige polarisatie kan leiden tot grotere depolarisatie, wat resulteert in slechtere retentiekenmerken, wat werd gerapporteerd in [25]. Bovendien kunnen de FE- en DE-eigenschappen van de NEI-laag afzonderlijk worden aangepast:P _r wordt versterkt/verkleind door het volume van FE-nanokristallen te vergroten/verlagen, en κ wordt verhoogd door andere elementen in de amorfe matrix op te nemen (bijv.. , LaAlO₃ ), om de FeFET-prestaties te optimaliseren.

Benchmarking van NEI-lagen tegen gerapporteerde gedoteerde HfO₂ films, met betrekking tot E _c en P _r . NEI behaalt veel lagere P _r vergeleken met gedoteerde HfO₂ met behoud van vergelijkbare E _c. [2, 3, 21, 25,26,27]