FET ferroeléctricos con aisladores incrustados de nanocristales (NEI) para dispositivos de capacitancia negativa y aplicaciones de memoria no volátil

Métodos

Los pasos clave del proceso para la fabricación de NEI FeFET se muestran en la Fig. 1a. Se utilizaron obleas de Ge (001) tipo n de cuatro pulgadas con una resistividad de 0.088-0.14 Ω cm como sustratos de partida. Después de la limpieza previa a la compuerta con HF diluido, se cargaron obleas de Ge (001) en una cámara de deposición de capa atómica (ALD) para la deposición de la capa de NEI que comprende ZrO ₂ nanocristales incrustados en Al ₂ amorfo O ₃ matriz. En este trabajo se utilizaron capas de NEI con los distintos espesores. La puerta de metal TaN se depositó sobre los NEI FeFET utilizando la pulverización catódica reactiva. Después del modelado y grabado de la puerta, BF ₂ ⁺ Los iones se implantaron en las regiones de origen / drenaje a una energía de 20 keV y una dosis de 1 × 15 cm ⁻² . Se depositó níquel (Ni) de treinta nanómetros en las regiones de fuente / drenaje utilizando el proceso de despegue. Finalmente, la fabricación del dispositivo se completó con un recocido térmico rápido (RTA). Controle los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) con un Al ₂ puramente dieléctrico O ₃ También se fabricó la capa aislante de la puerta.

La Figura 1b muestra el esquema en 3D del NEI FeFET fabricado, que comprende nanocristales FE incrustados en una capa aislante de puerta DE amorfa. Aunque el volumen de material FE es pequeño, es suficiente para aplicaciones NCFET y NVM. El material aislante DE es clave para lograr una fuga de puerta baja y un voltaje de funcionamiento bajo; debe tener una gran energía de banda prohibida y una alta permitividad dieléctrica ( κ ). También debe prever un campo altamente coercitivo ( E _c ) de los nanocristales de FE incrustados.

La imagen del microscopio electrónico de transmisión de sección transversal (XTEM) de la Fig. 2a muestra las regiones de fuente / drenaje, canal y borde de puerta de un FeFET fabricado. Las Figuras 2b yc indican que los espesores de las capas NEI estudiadas en este trabajo son de 3,6 y 2,1 nm, respectivamente. Tenga en cuenta que una capa interfacial de GeO _x existe entre la capa NEI y Ge, aunque no se puede ver.

un Imagen XTEM que muestra las regiones de puerta, canal y fuente / drenaje de NEI-FeFET. b y c Imágenes XTEM de pila de puertas de FeFET con capas NEI de 3,6 y 2,1 nm de grosor, respectivamente

Las imágenes TEM de alta resolución (HRTEM) en la Fig.3 demuestran el ZrO ₂ nanocristales incrustados en Al ₂ amorfo O ₃ sobre Ge (001) en las muestras NEI con espesores de 3,6 y 6 nm. En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado que el porcentaje atómico de Zr en la capa NEI es inferior al 0,5% [12]. Según los patrones de difracción, el espaciado interplanar d dentro de los nanocristales se calcula que es de 0,173 nm, que corresponde a ZrO ₂ ortorrómbico orientado (111) fase [13].

Imágenes HRTEM que muestran nanocristales incrustados en Al ₂ amorfo O ₃ para las muestras con espesores de a 3.6 nm y b 6 nm. Los recuadros muestran que el espaciado interplanar d en el nanocristal es de 0,173 nm, correspondiente a o-ZrO ₂ (111) fase

Polarización frente a voltaje ( P - V ) y microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) se llevaron a cabo en las muestras de NEI con los diferentes espesores. Para caracterizar la ferroelectricidad de la capa NEI, P - V curvas de TaN / NEI (3,6 nm) / Ge, TaN / NEI (6 nm) / Si _0,7 Ge _0.3 , y los condensadores TaN / NEI (10 nm) / TaN se muestran en la Fig. 4a, byc, respectivamente. La capa NEI exhibe una P más baja que los valores informados de HfZrO ₂ (HZO) [14], que se debe al hecho de que la relación de volumen de ZrO ₂ nanocristal en Al ₂ O ₃ la matriz es bastante baja. Se ve que la polarización remanente P _r de la película NEI aumenta con el aumento del espesor de la película. P-V Las curvas de la Fig. 4c indican que la ferroelectricidad de la capa de NEI se degenera mientras que la temperatura de recocido aumenta de 450 a 550 ° C. Cabe señalar que el motivo de la P-V no cerrada bucles se debe a que efectivamente existe una fuga. Se informó que la compensación resultante en el campo eléctrico cero disminuye a medida que se reduce el rango de barrido de voltaje [3, 15, 16]. Se midieron las imágenes de amplitud (superior) y fase (inferior) de NEI de 3,6 nm, 6 nm y 10 nm, como se muestra en la Fig. 5a, byc, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 6, los patrones que indican la polaridad opuesta escritos en la superficie de NEI en TaN exhiben un contraste más claro con el aumento del espesor de la película.

un - c P medido - V curvas de TaN / NEI (3,6 nm) / Ge, TaN / NEI (6 nm) / Si _0,7 Ge _0.3 y TaN / NEI (10 nm) / TaN, respectivamente

un - c Imágenes de amplitud (superior) y fase (inferior) de la medición de PFM para NEI de 3,6, 6 y 10 nm en TaN, respectivamente

un - c Características de cambio de fase de NEI de 3,6, 6 y 10 nm en TaN, respectivamente. Se observa que se puede escribir polaridad opuesta en la superficie de la capa NEI

Resultados y discusión

NEI NCFET

La figura 7a muestra I medido _DS - V _GS curvas de los NEI NCFET con un espesor NEI de 3,6 nm recocido a 450 ° C y 500 ° C. Los NCFET exhiben poca histéresis que indica la buena correspondencia entre la capacitancia ferroeléctrica y la capacitancia MOS en los transistores. Los NCFET muestran el efecto NC inducido en el sentido de las agujas del reloj I-V bucles, lo que contrasta con los de sentido contrario a las agujas del reloj mediante la captura / eliminación de trampas de carga [17]. La fuga de la puerta I _G en función de V _GS del mismo par de dispositivos demuestra que la formación de nanocristales en Al ₂ O ₃ no aumenta la fuga de la puerta. La Figura 7b muestra que los NCFET alcanzan los puntos SS empinados por debajo de 60 mV / década para los barridos hacia adelante y hacia atrás. Las fluctuaciones SS en el NEI NCFET, también observadas en NC FinFETs [2, 18], podrían deberse al cambio de polarización de los diferentes nanocristales o dominios ferroeléctricos. El I medido _DS - V _DS Las curvas para el mismo par de dispositivos en la Fig. 7c muestran que en ∣ V _GS - V _TH ∣ =∣ V _DS ∣ =1.0 V, el NCFET con RTA a 500 ° C logra un I un 29% más grande _DS en comparación con el transistor recocido a 450 ° C. Esto se atribuye al hecho de que la movilidad del portador en el canal y las características de resistencia de contacto pueden mejorarse con el aumento de la temperatura de recocido [19]. La característica típica inducida por la capa ferroeléctrica, la resistencia diferencial negativa (NDR), se observa en el I _DS - V _DS curvas para los NCFET recocidos a las diferentes temperaturas.

un Medido I _DS - V _GS y yo _G - V _GS curvas de NCFET con NEI de 3,6 nm recocido a 450 ° C y 500 ° C. b Los NEI NCFET tienen puntos por debajo de 60 mV / década para un V _DS valor de - 0,05 V. c yo _DS - V _DS curvas para los NEI NCFET que muestran los obvios fenómenos NDR. El transistor NC recocido a 500 ° C alcanza un 29% I _DS mejora en comparación con el dispositivo con RTA a 450 ° C con una tensión de alimentación de 1,0 V

La figura 8a muestra I medido _DS - V _GS curvas de un NEI NCFET y un MOSFET de control con el mismo espesor de aislante de 2,1 nm. Los dispositivos tienen una L _G de 6 μm. El NCFET presenta características sin histéresis. El recuadro muestra el punto SS frente a I _DS curvas para los dispositivos, lo que demuestra que se logra una SS mejorada en el NCFET en comparación con el dispositivo de control, hasta el voltaje umbral. La Figura 8b muestra la I _DS - V _DS curvas del NEI NCFET y el control MOSFET. NCFET exhibe el fenómeno NDR para el bajo V _GS . El efecto NDR corresponde a las características mejoradas de reducción de la barrera inducida por drenaje (DIBL) en NCFET en comparación con el MOSFET de control, como se muestra en la Fig. 8a. En ∣ V _GS - V _TH ∣ =∣ V _DS ∣ =1.0 V, un 16% I _DS La mejora se obtiene en NCFET en comparación con el dispositivo de control. NCFET con NEI de 2,1 nm tiene el NDR menos significativo en comparación con el transistor con NEI de 3,6 nm, lo cual es consistente con la conclusión en [20].

un yo _DS - V _GS curvas de un NEI NCFET y control MOSFET con Al ₂ puro O ₃ dieléctrico. Ambos dispositivos tienen el aislante de puerta de 2,1 nm. El recuadro muestra que el NCFET tiene un SS más pronunciado que el dispositivo de control hasta el voltaje de umbral. b Medido I _DS - V _DS curvas para NCFET y control MOSFET. Se observa NDR para NCFET a V muy bajo _GS . En ∣ V _GS - V _TH ∣ =∣ V _DS ∣ =1.0 V, NCFET alcanza un 16% I _DS mejora en comparación con el dispositivo de control

En este documento se investiga la dependencia de la temperatura del NCFET con el NEI de 3,6 nm de espesor. La figura 9a muestra I _DS - V _GS curvas medidas a 10 ° C y 30 ° C. El recuadro indica que el rendimiento SS del transistor no se degrada a temperaturas elevadas. A medida que aumenta la temperatura, el I - V la curva cambia a V más negativa _GS debido al efecto dominante de la ferroelectricidad, que es opuesto a la tendencia de un MOSFET convencional. La Figura 9b resume los cambios en el voltaje de histéresis y el voltaje de umbral de conmutación hacia adelante con la temperatura. Adelante V _GS cambia a valores más negativos a medida que aumenta la temperatura, lo que podría deberse a un aumento de E _c del NEI.

un yo _DS - V _GS de un NEI (3,6 nm) NCFET medido a 10 ° C y 30 ° C. Las curvas muestran un cambio hacia un voltaje más negativo con el aumento de temperatura, como se esperaba. El recuadro muestra el punto empinado SS. b Gráficos estadísticos de histéresis (izquierda) y hacia adelante V _GS @ 10 ⁻⁷ A / μm (derecha) para NCFET con capa NEI de 3,6 nm. Adelante V _GS cambia en la dirección negativa al aumentar la temperatura

NEI FeFET para aplicación de memoria no volátil

Al aumentar el rango de V _GS barrido, el voltaje de histéresis de un NEI FeFET se puede aumentar para lograr una ventana de memoria grande y estable (MW) para operaciones de lectura y escritura. Como se muestra en la Fig.10, un FeFET con NEI de 3.6 nm demuestra que el MW aumenta de 0.2 a 1.14 V a medida que V _GS El rango de barrido varía de (0,1 V, - 0,1 V) a (1 V, - 2 V). La resistencia de barrido de CC de otro dispositivo de memoria FeFET se muestra en la figura 11a, la figura 11b ilustra las características de histéresis en función del número de ciclos de barrido de CC. Estable I-V Se ve una ventana de histéresis de ~ 0,65 V.

Para una V grande _GS Rango de barrido de CC, se observa un MW de 1,14 V para el NEI (3,6 nm) FeFET

un Medido I _DS - V _GS curvas para NEI (3,6 nm) FeFET, a través de 1000 ciclos de barrido de CC. b Las mediciones de resistencia de barrido de CC muestran que el NEI FeFET tiene un MW estable a través de 1000 ciclos

La Figura 12 compara el dispositivo de memoria NEI FeFET con los FeFET reportados, con respecto al espesor de capa de MW y FE [8, 21-24]. Cabe señalar que el dispositivo NEI FeFET en este trabajo logra un MW considerable (> 1 V) con el espesor de FE más delgado informado de 3.6 nm. Especulamos que es más fácil lograr la fase FE estable en NEI con un espesor menor, en comparación con el HfO dopado ₂ [28,29,30].

Evaluación comparativa del dispositivo de memoria NEI FeFET frente a los FeFET informados, con respecto a MW y t _FE . El FE más delgado se logra mediante el dispositivo de memoria NEI FeFET

Finalmente, las ventajas del NEI FeFET proporcionadas por ZrO ₂ Se discuten los nanocristales incrustados en un aislante de puerta amorfo. La Figura 13 compara la capa NEI con el HfO ₂ dopado informado películas [2, 3, 21, 25-27], con respecto a E _c y P _r . NEI puede lograr un P mucho más bajo _r en comparación con HfO ₂ dopado para E similares _c . Nuestros experimentos han demostrado que una P _r por debajo de 1 μC / cm ² puede proporcionar el MW requerido en los FeFET. La polarización excesiva podría conducir a una mayor despolarización, dando como resultado peores características de retención, que se informó en [25]. Además, las propiedades FE y DE de la capa NEI se pueden ajustar por separado: P _r se mejora / reduce al aumentar / disminuir el volumen de nanocristales de FE, y κ aumenta al incorporar otros elementos en la matriz amorfa (por ejemplo, . , LaAlO ₃ ), para optimizar el rendimiento de FeFET.

Evaluación comparativa de capas de NEI frente a HfO dopado ₂ informado películas, con respecto a E _c y P _r . NEI logra una P mucho más baja _r en comparación con HfO ₂ dopado manteniendo similar E _c. [2, 3, 21, 25, 26, 27]

Conclusiones

FeFET novedosos con ZrO ₂ nanocristales incrustados en un Al ₂ amorfo O ₃ Se informa la capa aislante de la puerta. Los análisis físicos indican que menos del 0,5% de Zr en Al ₂ O ₃ produce suficiente ferroelectricidad para aplicaciones NCFET y NVM. Se observa un efecto NC estable a diferentes temperaturas de medición. Se demuestra el funcionamiento estable de la memoria FeFET con un aislador de compuerta extremadamente delgado (espesor total de 3.6 nm). El MW estable se alcanza en más de 1000 ciclos de resistencia de CC. El diseño propuesto de NEI FeFET proporciona un camino para reducir el grosor de la capa aislante de la compuerta FE / DE para que sea compatible con FinFET con pasos de aleta muy pequeños.

Abreviaturas

Al ₂ O ₃ :

Óxido de aluminio

ALD:

Deposición de la capa atómica

BF ₂ ⁺ :

Ión de fluoruro de boro

DC:

Corriente continua

Ec:

Campo coercitivo

FeFET:

Transistor de efecto de campo ferroeléctrico

Ge:

Germanio

GeO _x :

Óxido de germanio

HF:

Ácido fluorhídrico

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

I _DS :

Drenar corriente

MOSFET:

Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico

MW:

Ventana de memoria

NC:

Capacitancia negativa

NDR:

Resistencia diferencial negativa

NEI:

Aislante-incrustado-de nanocristales

Ni:

Níquel

Pr:

Polarización remanente

RTA:

Recocido térmico rápido

SS:

Oscilación del subumbral

TaN:

Nitruro de tantalio

V _GS :

Voltaje de puerta

V _TH :

Voltaje umbral

ZrO ₂ :

Dióxido de circonio

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