ZrO2 ferro-elektrische veldeffecttransistoren mogelijk gemaakt door de schakelbare zuurstofleegstanddipolen

Resultaten en discussie

Afbeelding 2 toont de P vs. spanning (V ) krommen voor de TaN/ZrO₂ /Ge condensatoren met verschillende ZrO₂ diktes en verschillende gloeitemperaturen. De ononderbroken lijnen met verschillende kleuren vertegenwoordigen de kleine lussen met verschillende zwaaiende spanningsbereiken (V _bereik ). De meetfrequentie is 1 kHz. De 2,5 nm en 4 nm ZrO₂ apparaten kunnen stabiele ferro-elektriciteit vertonen na een RTA bij 350 ° C. Figuur 3 plot het overblijfsel P (P _r ) als functie van de vegende V bereikcurves voor de condensatoren gegloeid bij verschillende temperaturen.

Gemeten P vs. V kenmerken van de TaN/ZrO₂ /Ge condensatoren met verschillende ZrO₂ diktes en verschillende gloeitemperaturen

Vergelijking van P _max als een functie van V _bereik voor de TaN/ZrO₂ /Ge condensatoren met verschillende ZrO₂ diktes en verschillende gloeitemperaturen

Afbeelding 3 toont de vergelijking van P _max als een functie van V _bereik voor de TaN/ZrO₂ /Ge condensatoren met de verschillende ZrO₂ diktes en de verschillende RTA-temperaturen. Voor de 4 nm ZrO₂ apparaten, naarmate de gloeitemperatuur stijgt van 350 tot 450 °C, een grotere V _bereik is vereist om een ​​vaste P . te verkrijgen _max . Dit wordt toegeschreven aan het feit dat de hogere uitgloeitemperatuur de dikkere grensvlaklagen (IL's) produceert tussen bij Ge/ZrO₂ en ZrO₂ /TaN-interfaces, wat leidt tot een grotere uniforme capaciteitsequivalentdikte (CET). Voor de 2,5 nm ZrO₂ condensatoren, heeft het monster met 500 °C annealing een lagere V _bereik dan het 350 °C gloeimonster met dezelfde P _max . Hoewel de IL's dikker worden met de verhoogde RTA-temperatuur, zijn sommige ZrO₂ werd verbruikt door het wegvangen van zuurstof en interdiffusie op het grensvlak. Voor de zeer dunne ZrO₂ apparaat, de laatste is dominant. Vergeleken met de 2,5 nm ZrO₂ condensator, een veel grotere V _bereik is vereist om een ​​vergelijkbare P . te bereiken _max . De 9 nm ZrO₂ condensator vertoont niet de hogere V _bereik in vergelijking met het 4 nm-apparaat. Dit komt door het kristal ZrO₂ die een veel hogere κ . heeft waarde dan de amorfe film, die de CET van het 9 nm-apparaat aanzienlijk vermindert.

Figuur 4a toont de geëxtraheerde evolutie van de positieve en negatieve P _r , aangegeven met respectievelijk \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \)en \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), voor de 4 nm- dikke ZrO₂ condensatoren met RTA bij verschillende temperaturen boven 10 ⁶ veegcycli gemeten bij 1 kHz. Apparaten die zijn uitgegloeid bij 350 ° C en 450 ° C vertonen het duidelijke wake-up-effect. Er wordt geen activering of afdruk waargenomen voor de 4 nm ZrO₂ ferro-elektrische condensator onderging gloeien bij 500 ° C. Figuur 4b vergelijkt de P _r als functie van veegcycli voor de apparaten met de verschillende ZrO₂ diktes. De 4 nm ZrO₂ ferro-elektrische condensator bereikt verbeterde stabiliteit van P _r uithoudingsvermogen vergeleken met de 2.5 nm- en 9 nm-apparaten tijdens de 10 ⁶ duurtest.

een P _r vs. het aantal ms-puls-zwaaicycli voor 4 nm ZrO₂ condensatoren met verschillende RTA-temperaturen. b P _r vs. aantal ms-puls-zwaaicycli voor de ZrO₂ condensatoren na gloeien bij 500 °C

De schakelende P wordt waargenomen in amorf ZrO₂ capaciteit, en er wordt geconcludeerd dat het mechanisme anders moet zijn dan dat van de gerapporteerde gedoteerde poly-HfO₂ ferro-elektrische films. We stellen voor dat het onderliggende mechanisme voor ferro-elektrisch gedrag gerelateerd is aan de zuurstofvacature-dipolen. Het is algemeen bekend dat, naarmate TaN-metaal wordt afgezet, de Ta-zuurstofvangende lagen de zuurstofvacatureconcentratie in ZrO₂ zullen verhogen. [10]. Zuurstofvacatures verschijnen ook op de ZrO₂ /Ge-interface. Figuur 5 toont het schema van de schakelbare P in TaN/ZrO₂ /Ge afkomstig van de migratie van zuurstofvacatures en negatieve ladingen om de positieve en negatieve dipolen te vormen. Er wordt gespeculeerd dat de negatieve ladingen in ZrO₂ zijn gerelateerd aan de Zr-vacature [11], die vergelijkbaar is met die in Al₂ O₃ filmpje [12]. De migratie van de spanningsgestuurde zuurstofvacatures is op grote schaal aangetoond in resistieve willekeurig toegankelijke geheugenapparaten [13, 14]. Dit is met name de eerste demonstratie van niet-vluchtige transistors met drie aansluitingen die worden gedomineerd door de spanningsgestuurde zuurstofvacatures.

Schema's van het mechanisme voor schakelbare P in ZrO₂ condensatoren, wat wordt toegeschreven aan de migratie van spanningsgestuurde zuurstofvacatures en negatieve ladingen om dipolen te vormen

De P-V hysterese schakelt de ZrO₂ . in FeFET's om een ​​groot en stabiel MW te verkrijgen voor de embedded NVM (eNVM) toepassingen. Afbeelding 6 toont de gemeten I _DS -V _GS krommen van 2,5, 4 en 9 nm ZrO₂ FeFET's voor de twee polarisatietoestanden met 1 μs program/erase (P/E) voorwaarden. De transistoren werden uitgegloeid bij 500 °C. Programmeren (wissen) wordt bereikt door positieve (negatieve) spanningspulsen toe te passen op de poort van de ZrO₂ FeFET's, om de drempelspanning te verhogen (verlagen) (V _TH ). V _TH is gedefinieerd als V _GS bij 100 nA·W/L, en MW wordt gedefinieerd als de maximale verandering in V _TH . Alle FeFET's met verschillende ZrO₂ diktes hebben de MW boven 1 V met 1 μs P/E pulsen. Om een ​​vergelijkbaar MW te bereiken, is een hogere wisspanning nodig voor de 9 nm ZrO₂ FeFET vergeleken met de andere twee transistoren. Het is te zien dat een grotere magnitude wissen V _GS is vereist om de ongeveer gelijke verschuiving van I-V . te verkrijgen ten opzichte van de initiële curve vergeleken met het programma V _GS . Er wordt gespeculeerd dat de zuurstofvacatures die bijdragen aan de P komen voornamelijk uit de reactie tussen TaN en ZrO₂ , zoals de begintoestand van het apparaat in Fig. 5a. Als een positieve V _GS (programma) wordt toegepast, diffunderen de zuurstofvacatures en hopen zich op in de laag nabij de ZrO₂ /Ge-interface (Fig. 5b), waar de verdeling van de zuurstofvacature-dipolen behoorlijk verschilt van de oorspronkelijke toestand. Het is dus gemakkelijk om de I-V . te verschuiven curve naar een hogere |V _TH | met een positieve V _GS . Echter, als een negatieve V _GS (wissen) wordt toegepast, brengt de terugdiffusie van zuurstofvacatures de poortstapel terug naar zijn oorspronkelijke staat (figuur 5c). Dus de grootte van de negatieve wissen V _GS moet worden verhoogd om de equivalente verschuiving van I-V . te bereiken naar het positieve programma V _GS .

Gemeten I _DS -V _GS krommen van de 2,5, 4 en 9 nm dikke ZrO₂ FeFET's voor de initiële en twee polarisatietoestanden met 1 μs P/E-pulsen

Omdat de P/E-pulsbreedte wordt teruggebracht tot 100 ns, zal de ZrO₂ FeFET's demonstreren nog steeds de fatsoenlijke MW, zoals getoond in figuur 7a. Vooral de transistor met 2,5 nm ZrO₂ gegloeid bij 350 ° C bereikt een MW van 0,28 V. Figuur 7b plot MW versus cyclusnummer voor de FeFET's met verschillende ZrO₂ diktes met 100 ns P/E pulsconditie. De 4 nm ZrO₂ apparaat behaalt aanzienlijk verbeterde duurzaamheidsprestaties in vergelijking met de 2,5 nm en 9 nm ZrO₂ FeFET's, die het duidelijke wekeffect en vermoeidheid vertonen binnen 10 ³ cycli.

een Ik _DS -V _GS krommen van de 2,5, 4 en 9 nm dikke ZrO₂ FeFET's voor de twee polarisatietoestanden met 100 ns P/E-pulsen. De apparaten ondergingen een RTA bij 500 °C. b FeFET met 4 nm ZrO₂ heeft een verbeterd uithoudingsvermogen vergeleken met de 2,5 en 9 nm ZrO₂ transistoren

Tot slot de retentietesten van de ZrO₂ FeFET's wordt gekarakteriseerd en getoond in Fig. 8 en 9. Figuur 8a toont de evolutie van I _DS -V _GS krommen voor de twee polarisatietoestanden van de 4 nm ZrO₂ FeFET's ondergingen RTA bij 350, 450 en 500 ° C. De ladingsvangst leidt tot de vermindering van de apparaten met de tijd. Zoals getoond in figuur 8b, kunnen de retentieprestaties van de apparaten worden verbeterd met de verhoging van de RTA-temperatuur. Een MW van ~ 0,46 V wordt geëxtrapoleerd om over 10 jaar te worden gehandhaafd. Figuur 9 vergelijkt de retentiekenmerken van de FeFET's met verschillende ZrO₂ diktes. De 4 nm ZrO₂ apparaat heeft een verbeterde retentieprestatie vergeleken met de transistors met 2,5 en 9 nm dik ZrO₂ .

een De evolutie van I _DS -V _GS krommen voor de twee polarisatietoestanden van de 4 nm ZrO₂ FeFET's met verschillende RTA-temperaturen. b De 4 nm ZrO₂ apparaat gegloeid bij 500 ° C heeft een veel betere retentieprestatie vergeleken met de transistors met RTA bij lagere temperaturen

een De evolutie van I _DS -V _GS krommen voor de twee polarisatietoestanden voor de 2,5, 4 en 9 nm dikke ZrO₂ FeFET's ondergingen een RTA bij 500 ° C. b De 4 nm ZrO₂ apparaat heeft een verbeterde retentieprestatie vergeleken met de transistors met 2,5 en 9 nm dik ZrO₂