Stabiel ferroelectrisch-achtig gedrag in 3,6-nm amorfe Al₂O₃ maakt schaalbare multi-gate NVFETs mogelijk

Samenvatting

Traditionele ferroelectrische apparaten lijden onder schaalbaarheidsproblemen. Gedopeerde HfO₂ dunne film is veelbelovend om het schaalbaarheidsprobleem op te lossen, maar wordt uitgedaagd door hoge lekkagestroom en uniformiteitszorgen door de polykristallijne aard. Stabiel ferroelectrisch-achtig gedrag wordt voor het eerst gedemonstreerd in een 3,6-nm-dikke amorfe Al₂O₃ film. De amorfe Al₂O₃ apparaten zijn hoogschaalbaar, wat multi-gate niet-vlatile veld-effect transistors (NVFETs) met nanometer-schaal fin-pitch mogelijk maakt. Het bezit ook de voordelen van lage proces temperatuur, hoge frequentie (~GHz), brede geheugenvenster en lange uithoudingsduur, wat groot potentieel suggereert in VLSI-systemen. De schakelbare polarisatie (P) geïnduceerd door spanning-gemoduleerde zuurstofvacature dipoles wordt voorgesteld.

Achtergrond

Ferroelectrisch willekeurig toegankelijk geheugen (FeRAM) gebaseerd op conventionele perovskiet ferroelectrieken (bijv. PZT) is een van de commerciële niet-vlatile geheugens (NVGs), hoewel het niet kan schalen en niet CMOS-compatibel is. Ferroelectriciteit werd waargenomen in een verscheidenheid aan materialen, zoals varkens aortawanden, Sb₂S₃ nanodraden, GaFeO₃ film, gedopeerde poly-HfO₂ films, nanokristallijne hydroxyapatiet films en LaAlO₃-SrTiO₃ film. Onder deze materialen hebben gedopeerde-HfO₂ films speciale belangstelling getrokken voor NVM-toepassing vanwege hun CMOS-procescompatibiliteit. Maar de polykristallijne structuur is onvermijdelijk om ferroelectriciteit in gedopeerde-HfO₂ te genereren, wat obstakels voor toepassing met zich meebracht: 1) het is incompatibel met gate-last verwerking met betrekking tot de thermische budget van 500 °C vereist om orthorombische kristalfasen te vormen; 2) stroomverbruik wordt geïnduceerd door ongewenste lekkagestroom langs korngrenzen, wat exponentieel toeneemt met het schalen van de ferroelectrische dikte. Recentelijk stelde een theoretische studie voor dat de additionele ferroelectriciteit in dikke poly-HfO₂ (>5 nm) kan komen van lange-afstand correlaties in de samenstelling van elektrischen dipoles gecreëerd door zuurstofvacatures. Het defect lading vangen/vrijgeven mechanisme werd waargenomen om ferroelectrisch-achtig gedrag te produceren in een 5-nm-dikke amorfe Al₂O₃ voor een multi-state geheugen, wat echter lijdt onder een heel lage vangen/vrijgeven frequentie (bijv. ~500 Hz).

In dit werk wordt stabiel ferroelectrisch-achtig gedrag gedemonstreerd in een 3,6-nm-dikke amorfe Al₂O₃ film, waar de schakelbare polarisatie (P) voorgesteld wordt geïnduceerd te worden door spanning-gemoduleerde zuurstofvacature dipoles. De amorfe Al₂O₃ film bezit de voordelen van lage proces temperatuur en de werkende frequentie tot ~GHz, wat multi-gate niet-vlatile veld-effect transistor (NVFET) met nanometer-schaal fin-pitch mogelijk maakt. Al₂O₃ NVFET geheugen met een 100-ns pulsbreedte programmeren/wissen (P/E) spanningen en meer dan 10⁶ P/E cycli uithoudingsduur wordt gedemonstreerd. De effecten van elektrod en filmdikte op de P in Al₂O₃ condensatoren worden ook onderzocht. De amorfe niet-vlatile apparaten tonen een veelbelovende toekomst in VLSI-geheugens.

Methoden

Amorfe Al₂O₃ films werden op Si(001), Ge(001) en TaN/Si substraten gegroeid door atomaire laagdepositie (ALD). TMA en H₂O damp werden gebruikt als de precursoren van Al en O, respectievelijk. Tijdens de depositie werd de substrattemperatuur gehandhaafd op 300 °C. Verschillende bovenmetaal elektrod, waaronder TaN/Ti, TaN en W, werden op Al₂O₃ oppervlakken gedeponeerd door reactieve sputtering. Condensatoren met verschillende elektrod werden gefabriceerd door lithografische patterning en droog etsen. Snelle thermische aanlas (RTA) bij 350 °C gedurende 30 s werd uitgevoerd. NVFETs met TaN/Al₂O₃ gate stack werden gefabriceerd op Ge(001). Na gate-vorming werden bron/drain (S/D) regioën geïmplanteerd met BF₂⁺ met een dosis van 1 × 10¹⁵ cm⁻² en een energie van 20 keV, en 20 nm-dikke nickel S/D metaal elektrod werden daarna gevormd door lift-off proces. Figuur 1a en b tonen de schematische weergaven van de gefabriceerde Al₂O₃ condensator en de p-kanaal NVFET. Er is een interfacielaag (IL) tussen de elektrode en de Al₂O₃ film. Figuur 1c en d tonen de hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscoop (HRTEM) beelden van de TaN/Al₂O₃/Ge stacks met verschillende amorfe Al₂O₃ diktes (t_AlO) na een RTA bij 350 °C.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de gemeten P vs. spanning V kenmerken voor de amorfe Al₂O₃ condensatoren met verschillende t_AlO en diverse boven- en onderlektroden. De meetfrequentie is 1 kHz. Zoals getoond in Fig. 2a-c, met een vaste 3,6 nm t_AlO, bereikt TaN/Al₂O₃/Ge condensator een hogere verzadigings P (P_sat) in vergelijking met de apparaten met TaN/Ti en W bovenlektroden. Het ferroelectrisch-achtig gedrag is sterk gecorreleerd met interfaces, en het wordt voorgesteld dat de vorming van TaAlO_x IL tussen TaN en Al₂O₃ meer zuurstofvacatures produceert, wat bijdraagt aan een sterkere schakelende P, in vergelijking met de TiAlO_x en WAlO_x IL's. P-V curven in Fig. 2d tonen aan dat TaN/Al₂O₃/TaN condensator een veel hogere P_sat heeft in vergelijking met TaN/Al₂O₃/Ge, wat toegeschreven wordt aan het feit dat dubbele TaAlO_x IL's een hogere zuurstofvacatureconcentratie bieden. Terwijl P_sat significant lager is dan die met Si onderlektrode (Fig. 2e), in vergelijking met de Ge elektrode. Dit resultaat wijst erop dat Al₂O₃/Si interfacekwaliteit beter is, d.w.z. minder zuurstofvacatures, in vergelijking met het apparaat gebaseerd op Ge substraat. Figuur 2f toont de P-V curven van een TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge condensator, met een hogere V_c en een bijna identieke P_sat in vergelijking met het apparaat met 3,6 nm Al₂O₃ film in Fig. 2b. Het is opgemerkt dat de reden voor de niet-gesloten P-V lussen is omdat een lekkage inderdaad bestaat. Er werd gerapporteerd dat de grote offset bij een elektrisch veld van nul altijd optreedt met een groot veld, en altijd geleidelijk verdwijnt met het kleiner wordende bereik van V.

Figuur 2g en h tonen de geëxtraheerde evolutie van de positieve en negatieve resterende P (P_r) en coercitieve V (V_c) waarden, respectievelijk, over 10⁴ sweeping cycli voor een TaN/Al₂O₃/Ge condensator. Geen wake-up, imprint of uitputtingseffect wordt waargenomen. V_c van het apparaat is ~1,8 V, wat aangeeft dat het E in de Al₂O₃ film 4~6 MV/cm is en in de IL's kan overschrijden 8 MV/cm, wat hoog genoeg is om de zuurstofvacatures aan te drijven. P_sat van de apparaten varieert van 1 tot 5 μC/cm², wat correspondeert met een redelijke zuurstofvacatureconcentratie in het bereik 3~15×10¹² cm⁻² aannemend dat ze een lading van plus twee hebben.

Het onderliggende mechanisme voor ferroelectrisch-achtig gedrag geassocieerd met zuurstofvacatures in Al₂O₃ apparaten wordt bediscussieerd. De migratie van de spanning-gedreven zuurstofvacatures is breed gedemonstreerd in resistieve willekeurig toegankelijk geheugen apparaten. Figuur 3 toont de schematische weergaven van de schakelbare P in TaN/Al₂O₃/Ge, die ontstaat uit de segregatie van spanning-gemoduleerde zuurstofvacatures en negatieve ladingen om de elektrische dipoles te vormen. Het is redelijk om aan te nemen dat de bewegelijke zuurstofvacatures voornamelijk ontstaan uit de vorming van TaAlO_x IL en zich in de buurt van de boveninterface bevinden in de initiële toestand (Fig. 3a). Figuur 3b en c tonen aan hoe de positieve en negatieve P respectievelijk worden gevormd, met de modulatie van de zuurstofvacature en negatieve lading dipoles onder de aangelegde spanning. Röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS) van Al₂O₃/Ge en (Ti, TaN en W)/Al₂O₃/Ge monsters worden gemeten en getoond in Fig. 4. Voor alle metaal/Al₂O₃/Ge monsters is er een metaaloxide IL gevormd tussen metaal en Al₂O₃, die voorgesteld worden als de reservoir van zuurstofionen en vacatures, wat consistent is met Ref. [17].

Om de elektrische prestaties van Al₂O₃ NVFET als NVM te karakteriseren, wordt programmeren (wissen) bewerkstelligd door positieve (negatieve) spanningpulses aan de gate aan te leggen, om de drempelspanning (V_TH) te verhogen (verlagen). Figuur 5a toont hoe de lineaire-gebied overdrachtskennlijnen van de Al₂O₃ NVFET verschuiven ten opzichte van de initiële I_DS-V_GS curve gemeten met ±4 V programmeren (wissen) spanningen met 100 ns pulsbreedte. Hier is V_TH gedefinieerd als een V_GS bij 100 nA⋅W/L, en MW is gedefinieerd als de maximum verandering in V_TH. De Al₂O₃ NVFET verkrijgt een MW van 0,44 V, hoewel amorfe Al₂O₃ film kleinere P_r heeft dan de gerapporteerde gedopeerde HfO₂ films. Het is opgemerkt dat de hoge werkende frequentie tot 10 MHz van Al₂O₃ NVFET geheugen, wat indicatief is voor dat schakelbare P in Al₂O₃ ontstaat uit de migratie van spanning-gedreven zuurstofvacature om dipoles te vormen, niet van defecten lading vangen/vrijgeven. Afwisselende programmeren en wissen pulsen werden toegepast op de Al₂O₃ apparaten om de apparatuur uithoudingsduur verder te bestuderen. Figuur 5b toont de plots van V_TH vs. P/E cycli aantal, wat een stabiele MW aanwijst die kan worden gehandhaafd zonder significante degradatie over 10⁶ P/E cycli voor een 3,6-nm-dikke Al₂O₃ NVFET.

Opvallend is dat het ferroelectrisch-achtig gedrag waargenomen in de amorfe Al₂O₃ apparaten kan worden uitgebreid tot de universele amorfe oxiden, bijv. hafniumoxide (HfO₂) en zirconiumoxide (ZrO₂).

Conclusies

Stabiel ferroelectrisch-achtig gedrag wordt voor het eerst gerealiseerd in condensatoren met een dunne amorfe Al₂O₃ isolator. Schakelbare P in amorfe Al₂O₃ condensatoren wordt gedemonstreerd door P-V lussen en NVFET test. Het ferroelectrisch-achtig gedrag wordt voorgesteld te ontstaan uit de interface zuurstofvacatures en ionen dipoles. De 3,6-nm-dikke Al₂O₃ NVFET bereikt een MW van 0,44 V en meer dan 10⁶ cycli uithoudingsduur onder ±4 V bij 100 ns P/E conditie. Al met al, dit werk opende een nieuwe wereld voor amorfe oxide ferroelectrische apparaten, die veelbelovend zijn voor multi-gate (vin-vormig, nanodraad of nanosheet) NVFETs met potentieel nano-geschaalde fin-pitch in VLSI-systemen.