Ferro-elektrisch-achtig gedrag afkomstig van zuurstofgebrek dipolen in amorfe film voor niet-vluchtig geheugen

Resultaten en discussie

Figuur 2 toont de gemeten P vs. spanning V kenmerken voor het amorfe Al₂ O₃ condensatoren met verschillende t _AlO en verschillende boven- en onderelektroden. De meetfrequentie is 1 kHz. Zoals getoond in Fig. 2a-c, met een vaste 3,6 nm van t _AlO , TaN/Al₂ O₃ /Ge condensator bereikt een hogere verzadiging P (P _zat ) vergeleken met de apparaten met TaN/Ti- en W-topelektroden. Het ferro-elektrisch-achtige gedrag is sterk gecorreleerd met grensvlakken, en er wordt voorgesteld dat de vorming van TaAlO_x IL tussen TaN en Al₂ O₃ produceert meer zuurstofvacatures, wat bijdraagt ​​aan een sterkere schakeling P , vergeleken met de TiAlO_x en WAlO_x IL's. P-V krommen in Fig. 2d geven aan dat TaN/Al₂ O₃ /TaN condensator heeft een veel hogere P _zat in vergelijking met TaN/Al₂ O₃ /Ge, wat wordt toegeschreven aan het feit dat dubbele TaAlO_x IL's zorgen voor een hogere zuurstofvacatureconcentratie. Terwijl P _zat is significant lager dan die met Si-bodemelektrode (Fig. 2e), vergeleken met de Ge-elektrode. Dit resultaat geeft aan dat Al₂ O₃ /Si-interfacekwaliteit is beter, d.w.z. minder zuurstofvacatures, vergeleken met die van het apparaat op basis van Ge-substraat. Afbeelding 2f toont de P-V krommen van een TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/Ge-condensator, met een hogere V _c en een bijna identieke P _zat in vergelijking met dat van het apparaat met 3,6 nm Al₂ O₃ film in Fig. 2b. Opgemerkt wordt dat de reden voor de niet-gesloten P -V lussen is omdat er inderdaad een lekkage is. Er werd gemeld dat de grote offset bij een elektrisch veld van nul altijd optrad met een groot veld, en altijd geleidelijk verdween met het kleinere bereik van V [11, 12].

Gemeten P vs. V kenmerken van de Al₂ O₃ condensatoren met verschillende elektroden. een , b , en c met de P -V krommen van TaN/Ti/Al₂ O₃ /Ge, TaN/Al₂ O₃ /Ge, en W/Al₂ O₃ /Ge, respectievelijk, met een 3,6-nm t _AlO . d en e waaruit blijkt dat de P _zat wordt verbeterd (gereduceerd) door TaN(Si) als bodemelektrode te gebruiken in plaats van Ge. v TaN/Al₂ O₃ (6 nm)/Ge condensator heeft een hogere V _c en een soortgelijke P _zat vergeleken met het 3,6 nm dikke apparaat in b . g en h Duurmetingen die geen achteruitgang van P . tonen _r en V _c waargenomen na 10 ⁴ veegcycli voor een TaN/Al₂ O₃ (3,6 nm)/Ge-condensator

Figuur 2g en h tonen de geëxtraheerde evolutie van het positieve en negatieve overblijfsel P (P _r ) en dwingen V (V _c ) waarden, respectievelijk meer dan 10 ⁴ veegcycli voor een TaN/Al₂ O₃ /Ge condensator. Er wordt geen wakker-, afdruk- of vermoeidheidseffect waargenomen. V _c van het apparaat is ~1.8 V, wat aangeeft dat de E in de Al₂ O₃ film is 4~6 MV/cm en kan in de IL's meer dan 8 MV/cm bedragen, wat hoog genoeg is om de zuurstofvacatures aan te drijven [13, 14]. P _zat van de apparaten varieert van 1 tot 5 μC/cm ² , overeenkomend met een redelijke zuurstofconcentratie in het bereik van 3~15×10 ¹² cm ^-2 ervan uitgaande dat ze de leiding hebben over plus twee.

Het onderliggende mechanisme voor ferro-elektrisch gedrag geassocieerd met zuurstofvacatures in Al₂ O₃ apparaten wordt besproken. De migratie van de spanningsgestuurde zuurstofvacatures is op grote schaal aangetoond in resistieve willekeurig toegankelijke geheugenapparaten [15, 16]. Figuur 3 toont het schema van de schakelbare P in TaN/Al₂ O₃ /Ge, dat afkomstig is van de scheiding van spanningsgemoduleerde zuurstofvacatures en negatieve ladingen om de elektrische dipolen te vormen. Het is redelijk om te concluderen dat de beweegbare zuurstofvacatures voornamelijk ontstaan ​​door de vorming van TaAlO_x IL en bevinden zich in de begintoestand in de buurt van de bovenste interface (figuur 3a). Figuur 3b en c geven aan hoe de positieve en negatieve P worden gevormd, respectievelijk met de modulatie van de zuurstofvacature en negatieve ladingsdipolen onder de aangelegde spanning. Röntgenfoto-elektronenspectra (XPS) van Al₂ O₃ /Ge en (Ti, TaN en W)/Al₂ O₃ /Ge-monsters worden gemeten en weergegeven in Fig. 4). Voor al het metaal/Al₂ O₃ /Ge monsters, er is een metaaloxide IL gevormd tussen metaal en Al₂ O₃ , die worden voorgesteld als het reservoir van zuurstofionen en vacatures, wat consistent is met Ref. [17].

Schema's van het mechanisme voor ferro-elektrisch-achtig gedrag in Al₂ O₃ condensatoren. Schakelbare P is te wijten aan de migratie van zuurstofvacatures en negatieve ladingen om dipolen te vormen

Kernniveau XPS-spectra van a Al₂ O₃ /Ge, b TaN/Al₂ O₃ /Ge, c Ti/Al₂ O₃ /Ge, en d W/Al₂ O₃ /Ge voorbeelden

Om de elektrische prestaties van Al₂ . te karakteriseren O₃ NVFET als NVM, programma (wissen) wordt bereikt door positieve (negatieve) spanningspulsen aan de poort toe te passen, om de drempelspanning (V) te verhogen (verlagen) _TH ). Figuur 5a laat zien hoe de lineaire-regio-overdrachtskarakteristieken van de Al₂ O₃ NVFET-verschuiving ten opzichte van de initiële I _DS -V _GS curve gemeten met ±4 V programmeer (wis) spanningen met een pulsduur van 100 ns. Hier, V _TH wordt gedefinieerd als een V _GS bij 100 nA⋅W/L, en MW wordt gedefinieerd als de maximale verandering in V _TH . De Al₂ O₃ NVFET verkrijgt een MW van 0,44 V, hoewel amorf Al₂ O₃ film heeft kleinere P _r dan de gerapporteerde gedoteerde HfO₂ films [5, 8]. Opgemerkt wordt dat de hoge werkfrequentie tot 10 MHz van Al₂ O₃ NVFET-geheugen, wat indicatief is voor die schakelbare P in Al₂ O₃ komt voort uit de migratie van spanningsgestuurde zuurstofleegte om dipolen te vormen, niet van defecten die lading vangen/detrappen. Er werden afwisselend programma- en wispulsen toegepast op de Al₂ O₃ apparaten om het uithoudingsvermogen van het apparaat verder te bestuderen. Figuur 5b toont de grafieken van V _TH vs. P/E-cyclusnummer, wat suggereert dat een stabiel MW kan worden gehandhaafd zonder een significante achteruitgang van meer dan 10 ⁶ P/E-cycli voor een 3,6 nm dikke Al₂ O₃ NVFET.

een Gemeten I _DS -V _GS krommen van een 3,6 nm dikke Al₂ O₃ NVFET voor de initiële en twee polarisatietoestanden. Er wordt een MW van 0,44 V verkregen. b Duurmeting toont aan dat er geen MW-degradatie wordt waargenomen na 10 ⁶ P/E-cycli

Met name het ferro-elektrische gedrag dat wordt waargenomen in het amorfe Al₂ O₃ apparaten kunnen worden uitgebreid tot de universele amorfe oxiden, bijv. hafniumoxide (HfO₂ ) en zirkoniumoxide (ZrO₂ ).