Benutting van schakelbare zuurstofvacature-dipolen voor robuuste ZrO₂ ferro-elektrische veld-effect-transistors

Samenvatting

In dit artikel worden de invloed van post-snelle thermische aanlas (RTA) en dikte van ZrO₂ op de polarisatie P en elektrische kenmerken van TaN/ZrO₂/Ge condensatoren en FeFETs respectievelijk onderzocht. Na RTA variërend van 350 tot 500 °C, tonen TaN/ZrO₂/Ge condensatoren met 2,5 en 4 nm dikke amorfe ZrO₂-film een stabiele P. Voorgesteld wordt dat het ferro-elektrische gedrag voortkomt uit de migratie van spanning-gedreven dipolen gevormd door zuurstofvacatures en negatieve ladingen. FeFETs met 2,5 nm, 4 nm en 9 nm ZrO₂ demonstreren een fatsoenlijk geheugenvenster (MW) met 100 ns programmeren/wissen-pulsen. Een 4-nm-dikke ZrO₂ FeFET heeft aanzienlijk verbeterde vermoeidheids- en retentie-eigenschappen vergeleken met apparaten met 2,5 nm en 9 nm ZrO₂. De retentieprestaties van de ZrO₂ FeFET kunnen verbeterd worden met toename van de RTA-temperatuur. Een MW van ~ 0,46 V wordt geëxtrapeerd om meer dan 10 jaar te worden gehandhaafd voor het apparaat met 4 nm ZrO₂.

Achtergrond

Gedopeerde poly-HfO₂ ferro-elektrische veld-effect-transistors (FeFETs) hebben veel belangstelling getrokken in niet-vlatile geheugen (NVM) toepassingen vanwege hun CMOS-procescompatibiliteit. Hoewel fatsoenlijke elektrische prestaties gedemonstreerd zijn in gedopeerde HfO₂-gebaseerde FeFETs, plaagen nog steeds sommige fundamentele beperkingen hun praktische toepassingen, waaronder de hoge thermische budget van 500 °C aanlas vereist om orthorhombische kristalfasen te vormen en de ongewenste lekkagestroom langs de korrelgrenzen bij het verkleinen van de ferro-elektrische dikte. Ferro-elektriciteit is wijd waargenomen in een verscheidenheid aan verschillende materialen, bv., Sb₂S₃ nanodraden, GaFeO₃ film, LaAlO₃-SrTiO₃ film, en amorfe Al₂O₃ bevattende nanokristallen. Recentelijk rapporteerden we FeFETs met deels gekristalliseerde ZrO₂ gate-isolator die functioneert als NVM en analoge synapse. Hoewel de ZrO₂ transistors fatsoenlijke elektrische prestaties vertoonden met dunner dikte vergeleken met gerapporteerde gedopeerde HfO₂, blijft het onderliggende mechanisme voor de ferro-elektriciteit in ZrO₂-film onduidelijk. Het is cruciaal en belangrijk om de oorsprong van de schakelbare polarisatie P te verduidelijken voor het evalueren van de prestatielimiet van ZrO₂ FeFETs.

In dit werk worden TaN/ZrO₂/Ge FeFETs met 2,5 nm, 4 nm en 9 nm-dikke isolatoren geproduceerd. De schakelbare P in TaN/ZrO₂/Ge condensator wordt voorgesteld te stammen uit de migratie van spanning-gedreven zuurstofvacatures en negatieve ladingen. De invloed van ZrO₂ dikte en de post-snelle thermische aanlas (RTA) op de P van TaN/ZrO₂/Ge en het geheugenvenster (MW), uithoudingsvermogen en retentie-eigenschappen van FeFETs worden onderzocht.

Methoden

FeFETs met ZrO₂ gate-isolator werden geproduceerd op 4-inch n-Ge(001) substraat met een vergelijkbaar proces als in [8, 9]. Na de pre-gate reiniging in verdunde HF (1:50) oplossing, werden Ge-wafers geladen in een atomaire laagdepositie (ALD) kamer. ZrO₂-films met diktes van 2,5 nm, 4 nm en 9 nm werden gedeponeerd bij 250 °C met behulp van TDMAZr en H₂O als voorlopers van Zr en O, respectievelijk. Een 100-nm-dikke TaN gate-elektrode werd gedeponeerd door reactieve sputtering. Na de gate-elektrodevorming, werden de bron/drain (S/D) regioën geïmplanteerd met BF₂⁺ met een dosis van 1 × 10¹⁵ cm⁻² en een energie van 20 keV. In totaal 15 nm nikkel (Ni) S/D-contacten werden gevormd door een lift-off proces. Ten slotte werd de RTA bij 350, 450 en 500 °C gedurende 30 s uitgevoerd.

Figuur 1a toont het schema van de geproduceerde transistor. Figuur 1b–d toont de transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van de TaN/ZrO₂/Ge monsters met 2,5, 4 en 9 nm-dikke ZrO₂, respectievelijk. Alle monsters ondergingen een RTA bij 500 °C gedurende 30 s. Het 2,5 nm ZrO₂ monster blijft een isolatorfilm na de aanlas. Voor het 4 nm monster, hoewel sommige nanokristallen waargenomen worden, blijft ZrO₂ een amorfe laag. Terwijl volledige kristallisatie optreedt voor de 9 nm ZrO₂ film. Opvallend is dat een interfacielaag (IL) van GeO_x bestaat tussen de ZrO₂ en Ge-kanaalregio, hoewel het te dun is om in de TEM-beelden te observeren.

Resultaten en discussie

Figuur 2 toont de P vs. spanning (V) curves voor de TaN/ZrO₂/Ge condensatoren met verschillende ZrO₂ diktes en verschillende aanlastemperaturen. De doorgetrokken lijnen met verschillende kleuren vertegenwoordigen de minor-lussen met diverse zwengspanningsbereik (V_range). 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 toont de resterende P (P_r) als functie van de zweng V bereik curves voor de condensatoren geanneald bij verschillende temperaturen.

Figuur 3 toont de vergelijking van P_max als functie van V_range voor de TaN/ZrO₂/Ge condensatoren met de verschillende ZrO₂ diktes en de verschillende RTA-temperaturen. Voor de 4 nm ZrO₂ apparaten, naarmate de aanlastemperatuur stijgt van 350 tot 450 °C, is een groter V_range vereist om een vaste P_max te verkrijgen. Dit wordt toegeschreven aan het feit dat de hogere aanlastemperatuur dikke interfacielagen (IL's) produceert tussen de Ge/ZrO₂ en ZrO₂/TaN interfaces, wat leidt tot een grotere geünificeerde capaciteitsequivalente dikte (CET). Voor de 2,5 nm ZrO₂ condensatoren, heeft het monster met 500 °C aanlas een lager V_range dan het 350 °C aanlas monster met dezelfde P_max. Hoewel de IL's dikker worden met verhoogde RTA-temperatuur, wordt een deel van ZrO₂ verbruikt door zuurstof-opsluipen en interdiffusie aan de interface. Voor het zeer dunne ZrO₂ apparaat is de laatste dominant. In vergelijking met de 2,5 nm ZrO₂ condensator, is een veel groter V_range vereist om een vergelijkbare P_max te bereiken. Echter, de 9 nm ZrO₂ condensator vertoont niet het hogere V_range in vergelijking met het 4 nm apparaat. Dit is te wijten aan het kristallijne ZrO₂ dat een veel hogere κ waarde heeft dan de amorfe film, wat de CET van het 9 nm apparaat aanzienlijk verlaagt.

Figuur 4a toont de geëxtraheerde evolutie van de positieve en negatieve P_r, aangeduid door \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \) en \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), respectievelijk, voor de 4 nm-dikke ZrO₂ condensatoren met RTA bij verschillende temperaturen over 10⁶ zwengcycli gemeten bij 1 kHz. Apparaten geanneald bij 350 °C en 450 °C vertonen het duidelijke opwak-effect. Geen opwak of imprintering wordt waargenomen voor de 4 nm ZrO₂ ferro-elektrische condensator die aanlas onderging bij 500 °C. Figuur 4b vergelijkt de P_r als functie van zwengcycli 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 10⁶ uithoudingstest.

De schakelbare P wordt waargenomen in amorfe ZrO₂ capaciteit, en er wordt afgeleid dat het mechanisme anders moet zijn dan dat van de gerapporteerde gedopeerde poly-HfO₂ ferro-elektrische films. We stellen voor dat het onderliggende mechanisme voor ferro-elektrisch gedrag gerelateerd is aan de zuurstofvacature-dipolen. Het is bekend dat, na depositie van TaN-metaal, de Ta-zuurstof-opsluip-lagen de zuurstofvacature-concentratie binnen ZrO₂ verhogen. Zuurstofvacatures verschijnen ook aan de ZrO₂/Ge-interface. Figuur 5 toont de schema's 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 gerelateerd zijn aan de Zr-vacature, wat vergelijkbaar is met die in Al₂O₃ film. De migratie van spanning-gedreven zuurstofvacatures is wijd gedemonstreerd in resistieve random-access geheugenapparaten. Opvallend is dat dit de eerste demonstratie is van drieklemmige niet-vlatile transistoren gedomineerd door spanning-gedreven zuurstofvacatures.

De P-V hysteres stelt de ZrO₂ FeFETs in staat om een groot en stabiel MW te verkrijgen voor ingesloten NVM (eNVM) toepassingen. Figuur 6 toont de gemeten I_DS-V_GS curves van 2,5, 4 en 9 nm ZrO₂ FeFETs voor de twee polarisatiestatussen met 1 µs programmeren/wissen (P/E) condities. De transistors werden geanneald bij 500 °C. Programmeren (wissen) wordt bereikt door positieve (negatieve) spanningspulsen toe te passen op de gate van de ZrO₂ FeFETs, om de drempelspanning (V_TH) te verhogen (verlagen). V_TH is gedefinieerd als V_GS bij 100 nA·W/L, en MW is gedefinieerd als de maximale verandering in V_TH. Alle FeFETs met diverse ZrO₂ diktes hebben de MW boven 1 V met 1 µs P/E pulsen. Om een vergelijkbaar MW te bereiken, is een hogere wis-spanning nodig voor de 9 nm ZrO₂ FeFET vergeleken met de andere twee transistors. Het is te zien dat een grotere magnitude wis V_GS vereist is om de ongeveer gelijke verschuiving van I-V ten opzichte van de initiële curve te verkrijgen vergeleken met de programmeer V_GS. Er wordt gespeculeerd dat de zuurstofvacatures die bijdragen aan de P voornamelijk afkomstig zijn van de reactie tussen TaN en ZrO₂, zoals de initiële toestand van het apparaat in Fig. 5a. Als een positieve V_GS (programmeren) wordt toegepast, diffunderen en accumuleren de zuurstofvacatures in de laag nabij de ZrO₂/Ge-interface (Fig. 5b), waar de verdeling van de zuurstofvacature-dipoles heel anders is dan de initiële toestand. Dus is het gemakkelijk om de I-V curve te verschuiven 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 gate-stack terug naar de oorspronkelijke toestand (Fig. 5c). Dus de magnitude van de negatieve wis V_GS moet verhoogd worden om de equivalente verschuiving van I-V ten opzichte van de positieve programmeer V_GS te bereiken.

Als de P/E-pulsbreedte wordt verlaagd tot 100 ns, tonen de ZrO₂ FeFETs nog steeds een fatsoenlijk MW, zoals getoond in Fig. 7a. Vooral bereikt de transistor met 2,5 nm ZrO₂ geanneald bij 350 °C een MW van 0,28 V. Figuur 7b toont MW vs. cyclusnummer voor de FeFETs met diverse ZrO₂ diktes met 100 ns P/E pulsconditie. Het 4 nm ZrO₂ apparaat bereikt aanzienlijk verbeterde uithoudingsprestaties vergeleken met de 2,5 nm en 9 nm ZrO₂ FeFETs, die duidelijke opwak-effecten en vermoeidheid vertonen binnen 10³ cycli.

Ten slotte wordt de retentietesting van de ZrO₂ FeFETs gekarakteriseerd en getoond in Figs. 8 en 9. Figuur 8a toont de evolutie van I_DS-V_GS curves voor de twee polarisatiestatussen van de 4 nm ZrO₂ FeFETs die RTA ondergingen bij 350, 450 en 500 °C. Ladingsopvang leidt tot reductie van de apparaten met de tijd. Zoals getoond in Fig. 8b, kan de retentieprestatie van de apparaten verbeterd worden met toename van de RTA-temperatuur. Een MW van ~ 0,46 V wordt geëxtrapeerd om meer dan 10 jaar te worden gehandhaafd. Figuur 9 vergelijkt de retentie-eigenschappen van de FeFETs met verschillende ZrO₂ diktes. Het 4 nm ZrO₂ apparaat heeft een verbeterde retentieprestatie vergeleken met de transistors met 2,5 en 9 nm-dikke ZrO₂.

Conclusies

Samengevat, worden amorfe ZrO₂ ferro-elektrische condensatoren experimenteel gedemonstreerd, en de ferro-elektriciteit wordt gespeculeerd te zijn door de migratie van de spanning-gedreven dipolen gevormd door zuurstofvacatures en negatieve ladingen. FeFETs met 2,5 nm, 4 nm en 9 nm ZrO₂ hebben de MW boven 1 V met 1 µs P/E pulsen. De verbeterde vermoeidheids- en retentie-eigenschappen worden verkregen in de 4 nm-dikke ZrO₂ FeFET in vergelijking met de apparaten met 2,5 nm en 9 nm ZrO₂. De retentietest geeft aan dat de 4 nm ZrO₂ transistor een geëxtrapeerde 10-jaar MW van ~ 0,46 V behoudt.