Laagspanningsbedrijf 2D MoS2 ferro-elektrische geheugentransistor met Hf1-xZrxO2-poortstructuur

Resultaten en discussie

We hebben een paar lagen MoS₂ . gemaakt door mechanische afschilfering van bulkkristal en overgedragen MoS₂ nanoflake op de 2 nm Al₂ O₃ /6 nm HZO/p ⁺ Si-substraat (zie meer details in de sectie "Experimenteel"). Figuur 1a en b tonen een 3D schematisch aanzicht en dwarsdoorsnede van de HZO/MoS₂ FeFET-structuur, respectievelijk. Een bovenaanzicht scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeld van de HZO/MoS₂ FeFET wordt getoond in figuur 1c. De breedte en lengte van de MoS₂ kanaal zijn respectievelijk 2 m en 12 m. Zoals getoond in Fig. 1d, is de dikte van de MoS₂ kanaal werd bevestigd met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM). De gemeten dikte van 1,57 nm duidt op de aanwezigheid van 4 lagen MoS₂ [26].

Apparaatstructuur en basiseigenschappen van de MoS₂ /HZO FeFET. een Driedimensionale schematische weergave van de MoS₂ /HZO FeFET. b Schematische dwarsdoorsnede van de MoS₂ /HZO FeFET. c SEM-afbeelding van bovenaf van de gefabriceerde MoS₂ /HZO FeFET met Ti/Au source/drain-elektroden, HZO ferro-elektrische gate-isolatoren en MoS₂ kanalen. d Hoogteprofiel met contactmodus AFM langs de rode lijn in c , valideren van de hoogte van de MoS₂ kanaal.

Zoals getoond in Fig. S1c en d, werd de elementaire en bindingssamenstelling van HZO onderzocht door de röntgenfoto-elektron (XPS) -metingen. Pieken blijken 19,05 eV, 17,6 eV, 185,5 eV en 183.2 eV te zijn, wat overeenkomt met de Hf 4f_5/2 , Hf 4f_7/2 , Zr 3d_3/2 , en Zr 3d_5/2 , respectievelijk [27]. De atomaire concentratie langs het diepteprofiel in Fig. S1e bevestigt verder de verdeling van de Al₂ O₃ /HZO/p ⁺ Si drielaagse structuur. Al het bovenstaande bevestigt dat de HZO-film die is gegroeid via ons atomic layer deposition (ALD) -systeem zeer kristallijn is.

Alvorens de karakterisering van HZO/MoS₂ te onderzoeken FeFET, het ferro-elektrische gedrag van de Au/2 nm Al₂ O₃ /6 nm HZO/p ⁺ Si-poortstapel met behulp van polarisatie-spanningsmeting wordt getoond in figuur 2a. Het is duidelijk dat onze gefabriceerde 6 nm HZO/2 nm Al₂ O₃ condensatoren vertonen polarisatie-spanningshysteresislussen (gemeten bij 1 kHz). Ondertussen is de resterende polarisatie P _r en de dwangspanning V _c verhogen met het verhogen van de maximale zwaaispanning, wat de P-V . impliceert hysteresislussen transformeren van kleine lus naar grote lus. Naarmate de maximale zwaaispanning toeneemt van 2 naar 4 V, P _r bereikt 0,66 μC/cm ² , 0,86 μC/cm ² , en 1,1 μC/cm ² , respectievelijk en V _c bereikt respectievelijk 1,12 V, 1,9 V en 2,04 V. Geëxtraheerde P _r en V _c binnen 10 ⁵ duurzame DC-veegcycli worden getoond in Fig. 2b en c. Duidelijk significante effecten van wakker worden en vermoeidheid binnen 10 ⁵ cycli worden waargenomen in de 6 nm HZO/2 nm Al₂ O₃ condensator. Het wakker worden en de vermoeidheid kunnen worden toegeschreven aan de diffusie en herverdeling van de zuurstofvacatures onder het elektrische veld. Het vermoeidheidseffect wordt over het algemeen geassocieerd met het vasthouden van lading op de defectlocaties die verband houden met zuurstofvacatures [28]. Het hysteresisgedrag voor de PR-fase en vlindervormige lus voor de PRampl met behulp van piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM) worden weergegeven in Fig. S1b en c, wat een polarisatieomschakeling aangeeft als een functie van de sweep-biasspanning. Rekening houdend met verschillende contactweerstanden tussen polarisatie-spanningsmeting en piëzo-respons-spanningsmeting, is de gemeten V _c in Fig. S1b en c is niet zo consistent met de waarden verkregen in Fig. 2a.

een PV-hysteresislussen voor de HZO (6 nm)/Al₂ O₃ (2 nm) condensator met verschillende spanningsbereiken. Afhankelijkheid van (b ) P _r en c V _c op fietsen voor de HZO (6 nm)/Al₂ O₃ (2 nm) condensator met ± 4 V/1 kHz cycli

Bovendien wordt waargenomen dat er een toename is in MW die gepaard gaat met het verhoogde zwaaiende spanningsbereik van de poortspanning (V _GS,bereik ). Gewoonlijk bestaat polykristallijne HZO-film als multi-domeinstatus [29], en de coërcitieve veldverdeling van deze domeinen voldoet aan de Gauss-verdeling. Er moet dus een verhoogde afhankelijkheid zijn van de verhoogde V _GS,bereik . De dwangbevel ingediend E _C komt overeen met de waarde van het externe elektrische veld dat de remanente polarisatie tot nul kan reduceren. Daarom is de V _GS ,_bereik gebruikt om de polarisatie in de HZO-film te schakelen wordt groter met een hogere gerelateerde dwangspanning V _C . Dit is de reden waarom polarisatie-spanningslussen van HZO-film worden verlengd met een grotere V _GS,bereik , wat is aangetoond in Fig. 2a. Met andere woorden, de verhoogde polarisatie-intensiteit en ferro-elektrische omschakeling treden op met de verhoogde V _GS,bereik , wat leidt tot de bovengenoemde verschijnselen van de verlengde MW tegen de klok in geproduceerd door de verhoogde V _GS,bereik . Bij V _GS,bereik =(−2, 2 V), de MW is bijna verdwenen en er komen bijna hysterese-vrije kenmerken naar voren, wat de bijna volledige compensatie betekent tussen de effecten van ferro-elektrisch schakelen en het opvangen/ontvangen van lading.

Om het effect van ferro-elektrisch schakelen verder te onderzoeken, is de V _GS,bereik is continu verhoogd tot (−6, 6 V) en (−6.5, 6.5 V). De gemeten I _DS -V _GS curven van de HZO MoS₂ FeFET op V _GS,bereik =(−6, 6 V) en (−6.5, 6.5 V) worden getoond in Fig. 3a. Evenzo wordt het geheugenvenster tegen de klok in vergroot met de uitgebreide V _GS,bereik . Bij V _GS,bereik =(−6.5, 6.5 V), de MW tegen de klok in is hoger dan 4 V en de aan/uit-verhouding neemt ook toe tot 10 ⁷ , wat te wijten is aan de verbeterde polarisatie-omschakeling onder een grotere externe aangelegde spanning. Over het algemeen is het mechanisme dat ten grondslag ligt aan het hysteresegedrag dat wordt weergegeven in de I _DS -V _GS krommen tijdens het vegen in twee richtingen van V _GS is drempelspanningsverschuiving, die kan worden gewijzigd door de overheersende effecten van polarisatieschakeling, dat wil zeggen NC-effect [30,31,32], resulterend in hysterese tegen de klok in. Een verdere studie van verbeterde subthreshold-kenmerken werd uitgevoerd in het andere apparaat onder een gekrompen V _GS,bereik . De gemeten I _DS -V _GS en geëxtraheerd punt SS—I _DS krommen van het andere apparaat bij V _GS,bereik =(−3, 3 V) zijn uitgezet in Fig. 3b. Het is aangetoond dat bij V _GS,bereik =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET vertoont SS_For =51,2 mV/decade en SS_Rev =respectievelijk 66,5 mV/decennium. Dat wil zeggen dat de SS van minder dan 60 mV/decennium en een MW van 0,48  V tegelijkertijd kunnen worden bereikt in HZO/MoS₂ FeFET bij kamertemperatuur, wat een hint zal zijn om onderscheid te maken tussen NCFET en FeFET.

De gelijkstroom (DC) test van de HZO/MoS₂ FeFET bij afvoerspanning (V _DS ) is 0,5 V. a De vergelijking tussen overdrachtscurven met 6 V en 6.5 V als maximum van de backgate-spanning. b Vergrote weergave van overdrachtscurven met een interval van 0 tot −2 V van V _GS,bereik =(−3, 3 V). Punt onderdrempel helling (SS) als functie van afvoerstroom (I _DS ) van de HZO/MoS₂ FeFET is (b ) inzet. Het apparaat vertoont SS_For =51,2 mV/dec

Zoals bekend kan de SS in NCFET kleiner zijn dan 60 mV/decade bij kamertemperatuur vanwege de opname van de negatieve gate-diëlektrische capaciteit (C _ins ), die kan worden verkregen via het negatieve hellingssegment van dP /dE <0 geïnduceerd door ferro-elektrische film, wat bijdraagt ​​aan de gate-stackfactor (m) <1. Het mechanisme dat ten grondslag ligt aan het NC-effect [33] is het depolarisatieveld dat wordt gegenereerd door ferro-elektrische film [34,35,36,37,38]. Er is experimenteel gerapporteerd dat als gevolg van de onvolledige screening op het grensvlak van ferro-elektrische film [39], de resterende polarisatielading een intern elektrisch veld over ferro-elektrische film zou kunnen produceren, dat de tegenovergestelde richting heeft met de extern aangelegde spanning, wat leidt tot de re- verdeling van de spanning over de gate-stack en de versterkte kanaaloppervlaktepotentiaal, genoemd als "spanningsversterkingseffect" [40,41,42]. De spanningsversterking kan meestal in twee delen worden verdeeld, de versnelde variatie van het kanaaloppervlaktepotentieel en de daaropvolgende verhoogde waarde, wat zorgt voor de steile AAN / UIT-schakeling en verbeterde I _AAN /Ik _UIT , respectievelijk. Voor FeFET is er echter een ander verhaal. Volgens het concept van capaciteitsaanpassing tussen ferro-elektrische capaciteit (C _FE ) en metaaloxide-halfgeleidercapaciteit (C _MOS ) [43,44,45], wanneer |C _FE |> C _MOS , de theoretische totale capaciteit (C _totaal ) is positief en het systeem is stabiel, wat resulteert in hetzelfde polarisatiegedrag tijdens het in twee richtingen vegen van V _GS en de stabiele hysteresevrije NCFET. Een goede afstemming resulterend in verbeterde SS en transconductantie is echter erg lastig te bereiken, aangezien zowel C _MOS en C _FE zijn zeer niet-lineaire, bias-afhankelijke condensatoren. Bovendien, |C _FE |> C _MOS moet worden gewaarborgd voor het hele bedrijfsspanningsbereik om hysterese te voorkomen. In plaats daarvan, een keer |C _FE | <C _MOS , de theoretische C _totaal negatief is en het systeem onstabiel is, moet er een gescheiden polarisatiegedrag optreden tijdens het bi-switchen van V _GS om de C . te behouden _totaal positief, wat de hysterese tegen de klok in zou kunnen produceren in FeFET voor NVM-toepassing. Hier wordt vermeld dat het hysteretische gedrag het daaropvolgende effect is van gescheiden polarisatieomschakeling, wat betekent dat de breedte van het hysteresevenster eenvoudig kan worden aangepast op basis van het concept van capaciteitsaanpassing, zoals, dat kan worden gemanipuleerd door de variatie van V _DS . Met een geschikte capaciteitsaanpassing, zelfs met een sterk gekrompen V _GS,bereik =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET vertoont nog steeds een duidelijk hysteresisvenster en de steile omschakeling van SS_For =51,2 mV / dec tegelijkertijd, wat verder suggereert dat het NC-effect (ferro-elektrisch polarisatie-effect) ook in het subdrempelgebied bestaat. Hoewel NCFET en FeFET verschillend zijn, kan FeFET ook worden gebruikt als logische apparaten met een vergelijkbare kleinere MW, met behoud van een diepe sub-60 mV/dec SS en een hogere I _AAN /Ik _UIT ook vanwege het NC-effect.

De impact van V _DS op de breedte van MW is zorgvuldig onderzocht. De ik _DS -V _GS krommen op logaritmische schalen onder verschillende V _DS worden gekenmerkt in Fig. S3. Er wordt getoond dat, bij een vaste V _GS,bereik =(−2, 2 V), de waarden van V _GS geëxtraheerd op I _DS =70 nA voor het bidirectioneel vegen van V _GS alle verschuiven naar de negatieve richting. Ondertussen is ook aangetoond dat de variatie in voorwaarts vegen van V _GS is veel duidelijker dan dat van reverse sweeping, wat wijst op de significante verschijnselen van negatieve DIBL. Opgemerkt moet worden dat het negatieve DIBL-effect altijd optreedt bij een NC-effect [46, 47].

Na de bovenstaande gelijkstroom (DC) test van de HZO/MoS₂ FeFET, we hebben verder de gemeten MW's uitgevoerd voor verschillende P/E V _GS pulsen met een breedte van 10 ms in Fig. 4a. MW wordt gedefinieerd als de maximale verandering ΔV _TH na P/E V _GS pulsen. Tijdens de gepulseerde V _GS toepassing waren de andere terminals vastgezet op V _S =V _D =0 V. Voor de leesbewerking (R), V _GS varieerde van −1 V tot 1 V met V _D =0,5 V en V _S =0 V Zoals weergegeven in figuur 4a, worden de geëxtraheerde MW's groter als P/E V _GS pulsen nemen toe. Wanneer de opgelegde P/E V _GS puls is ± 3 V, de geëxtraheerde MW is 0,1 V. Wanneer de opgelegde P/E V _GS puls is ± 5,5 V, de geëxtraheerde MW is 0,275 V. Vergeleken met de MW's tegen de klok in van 4 V en 0,48 V in Fig. 3a en b, zijn de geëxtraheerde MW's na P/E V _GS pols wordt sterk verminderd. Dit is mogelijk te wijten aan een hogere dichtheid van invangtoestanden veroorzaakt door een hoge luchtvochtigheid [48]. Het mechanisme voor het invangen/ontvangen van lading wordt dus verbeterd en de hysteresislus tegen de klok in wordt uiteindelijk verkleind. Verder hebben we het fietsuithoudingsvermogen en de dataretentie van de HZO/MoS₂ . bestudeerd FeFET onder P/E-pulsen met ± 5,5 V hoogte in figuur 4b. Het programma V _GS puls was 10 ms breed met V _S =V _D =0 V Figuur 4b illustreert de gemeten MW's als functie van uithoudingscycli. De uithoudingscyclus wordt gevormd door periodieke P/R/E/R-pulsen van de back-gate-spanning. Spanningen toegepast op de achterpoort van de hoogte van P, E, R waren respectievelijk + 5,5 V, -5,5 V en 0 V. En de pulsbreedte van P en E was 10 ms. Het is duidelijk dat een MW van 0,3 V kan worden gehandhaafd zonder significante degradatie na 10 ³ P/E cycli. Naarmate het aantal uithoudingscycli toenam, nam de MW toe tot 0,38 V na 10 cycli en nam vervolgens weer af tot 0,28 V na 600 cycli. Het eerste verbrede MW wordt wake-up-effect genoemd en het latere verkleinde MW wordt vermoeidheidseffect genoemd. Het wake-up-effect komt overeen met de-pinning van domeinen, wat leidt tot een toename van schakelbare polarisatiedomeinen van de HZO-film [49]. Het vermoeidheidseffect komt overeen met nieuw geïnjecteerde ladingen die de domeinwanden vastzetten na een groot aantal P/E-cycli [50]. De gegevensretentie bij kamertemperatuur wordt getoond in figuur 4c. Hier is de MW-degradatie verwaarloosbaar na 10 ⁴ s. Daarom kan worden verwacht dat een MW van ongeveer 0,3 V over 10 jaar duurzaam is volgens de gestippelde extrapolatielijnen. Zoals weergegeven in Fig. 4d, is het apparaat stabiel na 10 ³ cycli onder de P/E-pulsen met ± 3 V hoogtes. De stabiliteit van de HZO/MoS₂ FeFET toont een geweldig perspectief van toepassingen in niet-vluchtige geheugentechnologie.

Geheugenprestaties van de HZO/MoS₂ FeFET onder P/E-pulsen. een Geëxtraheerde MW's (MW's) onder P/E-pulsen met ± 3 V, ± 4 V, ± 5 V, ± 5,5 V en ± 6 V hoogtes. b Duurmetingen onder P/E-pulscondities. c Retentiekenmerk van de HZO/MoS₂ FeFET. d Uithoudingsvermogen van de HZO/MoS₂ FeFET voor 10 ³ cycli onder de P/E-pulsen met ± 3 V hoogtes

Een vergelijking van verdienste met op FeFET gebaseerde apparaten die MoS₂ . combineren en ferro-elektrische poortdiëlektrica wordt gegeven in Tabel 1. Hier worden de apparaatstructuur, resterende polarisatie, dwingend elektrisch veld, hysteresislusrichting, MW, werkspanning, uithoudingscycli en retentietijd vermeld. Het is duidelijk dat het apparaat dat we hebben gefabriceerd de dunste ferro-elektrische laag van 6 nm HZO en de laagste werkspanning vertoont in vergelijking met andere werken [12,13,14,15,16,17,18], wat belangrijk is voor de toekomstige 2 nm of 3 nm-procesknooppunt van het back-end of line-geheugen (BEOL). Door de dikte van de ferro-elektrische laag te schalen, werd een MW van ongeveer 0,1 V bereikt onder een lage werkspanning van ± 3 V. Een dergelijke lage werkspanning kan worden toegeschreven aan de intrinsieke kenmerken van de HZO-laag in vergelijking met hun tegenhangers, zoals P (VDF-TrFE) of HfO₂ , die een veel hogere dikte heeft. Bovendien heeft ons apparaat een lagere restpolarisatie P _r van 1,1 C/cm ² vergeleken met andere gerapporteerde FeFET's. Het snelle verval van retentieverlies in een FeFET is te wijten aan het bestaan ​​van het depolarisatieveld E _dep , die voortkomt uit de onvolledige compensatie vanwege het bestaan ​​van de Al₂ O₃ laag. Hier, E _dep is recht evenredig met de remanente polarisatie P _r [51]. Dus de hoge E _c en lage P _r maak de verhouding E _dep /E _c in MoS₂ /HZO FeFET veel klein, wat leidt tot een veel klein retentieverlies in verband met het depolarisatieveldeffect. Hoewel de retentieprestaties van MoS₂ FeFET's op basis van HZO en P(VDF-TrFE) liggen beide rond de 10 ⁴ s, moet de P(VDF-TrFE)-film 150 nm [17] zijn.