Nanokristal-ingebedde-isolator FeFETs: Ultradunne ferroelektrische gates voor laagspanningslogica en robuust niet-vlatig geheugen

Samenvatting

We introduceren een nieuwe ferroelektrische veld-effect transistor (FeFET) die nanokristal-ingebedde-isolator (NEI) technologie integreert, wat een opmerkelijk dunne geünificeerde ferroelektrische/dielektrische (FE/DE) gate-stack mogelijk maakt. Deze architectuur levert laagspanningslogica-operatie en een niet-vlatig geheugen (NVG) venster van meer dan 1 V, zelfs met een totale FE/DE dikte van slechts 3,6 nm. Het ferroelektrische gedrag van orthorombische ZrO₂ nanokristallen gedispergeerd in een amorfe Al₂O₃ matrix wordt bevestigd door polarisatie-spanning hysteresie, piezorespons kracht microscopie en elektrische karakterisering. We onderzoeken ook de temperatuurafhankelijkheid en uithoudingsvermogen van de NEI-gebaseerde negatieve-capaciteit FET (NCFET), wat stabiele operatie over een breed temperatuurbereik en robuust uithoudingsvermogen over 1.000 DC-cycli demonstreert.

Achtergrond

FeFETs zijn veelbelovende kandidaten voor next-generation geïntegreerde circuits vanwege hun inherente negatieve-capaciteit (NC) effect, wat sub-60 mV/decade subdrempelhelling (SS) en lagere voedingspanningen mogelijk maakt. Recente vooruitgang richtte zich op gedopeerd HfO₂, wat goede CMOS-compatibiliteit en dikteschaalbaarheid biedt. Echter, verdere schaling van de ferroelektrische laag wordt beperkt door lekkagestromen, wat FinFET-ontwerpen beperkt. Geïnspireerd door nanokristal MOS-concepten, bedden we ferroelektrische nanokristallen in een hoog-bandgap dielektricum om de NEI FeFET te vormen. Dit ontwerp bereikt een ultradunne FE/DE-stack die strenge lekkage-eisen voldoet terwijl sterke ferroelektrische koppeling behouden blijft.

In dit werk rapporteren we NEI FeFETs, detaileren de fysieke eigenschappen van NEI-lagen bij verschillende diktes en evalueren hun elektrische prestaties voor zowel laagspanningslogica als NVG-toepassingen.

Methoden

De fabricagereeks begint met vier-inch n-type Ge(001) wafers (0,088–0,14 Ω cm). Na HF-dip reiniging worden de wafers overgebracht naar een ALD-kamer waar ZrO₂ nanokristallen worden geïntegreerd in een amorfe Al₂O₃ matrix, vormend de NEI-laag. NEI-films van 2,1 nm en 3,6 nm dikte worden geproduceerd. TaN gates worden gedeponeerd door reactieve sputtering, gevolgd door gate-pattering, bron/put implantatie (BF₂⁺, 20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), Ni-contactdepositie en finale snelle thermische annealing (RTA). Referentie MOSFETs met zuivere Al₂O₃ gates worden ook gefabriceerd voor vergelijking.

Figuur 1b toont de apparatdoorsnede: de ferroelektrische nanokristallen zijn volledig ingekapseld in het dielektricum, wat zowel hoge permitiviteit (κ) als een grote coercitieve veld (E_c) biedt. Het kleine volume fractie van ZrO₂ (< 0,5%) is voldoende om ferroelektriciteit te induceren terwijl lekkage laag blijft.

Hoge-resolutie TEM (HRTEM) bevestigt orthorombische ZrO₂ (111) nanokristallen met een interplanaire afstand van 0,173 nm. Polarisatie-spanning (P-V) metingen en piezorespons kracht microscopie (PFM) onthullen ferroelektrische schakeling, met resterende polarisatie (P_r) die toeneemt met filmdikte en afneemt boven 550 °C door thermische relaxatie.

Resultaten en discussie

NEI NCFET Prestaties

Figuur 7a presenteert de I_DS–V_GS karakteristieken van 3,6-nm NEI NCFETs geanneald bij 450 °C en 500 °C. Beide apparaten vertonen minimale hysteresie, wat een goed gematchte ferroelektrische en MOS capaciteit bevestigt. De met de klok mee gaande I-V lussen bevestigen het negatieve-capaciteit effect in plaats van ladingvanging. Gate-lekkage blijft laag, wat aangeeft dat de ingesloten nanokristallen geen additionele lekkagepaden introduceren.

Vergelijking van een 3,6-nm NEI NCFET met een referentie MOSFET van identieke gate-isolatordikte (2,1 nm) toont aan dat de NCFET een scherpere SS en 16% hogere I_DS bij V_DS = 1 V demonstreert. Het NDR-effect is meer uitgesproken in het dikker 3,6-nm apparaat, consistent met de sterkere ferroelektrische koppeling.

Temperatuurafhankelijke testen (10 °C–30 °C) onthullen dat de NCFET's SS onveranderd blijft, terwijl de I_DS–V_GS kurf verschuift naar meer negatieve gate-spanningen met stijgende temperatuur—een handtekening van versterkte ferroelektrische activiteit. Voorwaartse V_GS verschuift ook negatief met temperatuur, waarschijnlijk reflecterend een toename in E_c.

NEI FeFET als niet-vlatig geheugen

Het uitbreiden van het V_GS sweep-bereik vergroot het geheugenvenster (GV). Een 3,6-nm NEI FeFET levert een GV van 1,14 V bij sweeping tussen +1 V en –2 V, een substantiële verbetering ten opzichte van het 0,2 V venster bij een ±0,1 V sweep. Uithoudingstesten over 1.000 DC-cycli tonen een stabiel hysteresievenster van ~0,65 V, wat de betrouwbaarheid van de ferroelektrische laag onderstreept.

Benchmarking tegen gepubliceerde FeFETs (GV vs. FE-dikte) demonstreert dat het NEI-apparaat een >1 V venster bereikt met de dunst gerapporteerde ferroelektrische laag (3,6 nm). Deze superieure prestaties waarschijnlijk voortkomend uit de stabiele orthorombische fase in de nanokristallen, die robuust blijft bij verminderde diktes.

Tot slot biedt de NEI-architectuur afstembaarheid: P_r kan worden aangepast door het nanokristalvolume te variëren, terwijl κ kan worden verhoogd door hoge-κ elementen in de amorfe matrix te incorporeren (bijv. LaAlO₃). Vergeleken met gedopeerd HfO₂, bereikt NEI vergelijkbare coercitieve velden met aanzienlijk lagere resterende polarisatie, wat depolarisatieverliezen mitigeert en retentie verbetert.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat het inbedden van sub-nanometer ZrO₂ nanokristallen in een amorfe Al₂O₃ matrix een ferroelektrische gate-stack oplevert die zowel negatieve-capaciteit logica als stabiel niet-vlatig geheugen ondersteunt. De 3,6-nm NEI FeFET levert een geheugenvenster van meer dan 1 V en behoudt robuust NC-gedrag over een breed temperatuurbereik. De schaalbaarheid en lage lekkage van de architectuur maken het een veelbelovende weg naar volledig CMOS-compatibele FinFETs met ultradunne ferroelektrische lagen.