Comportamiento similar al ferroeléctrico que se origina a partir de dipolos vacantes de oxígeno en una película amorfa para memoria no volátil

Resultados y discusión

La Figura 2 muestra la P medida vs . voltaje V características para el amorfo Al ₂ O ₃ condensadores con diferentes t _AlO y varios electrodos superior e inferior. La frecuencia de medición es de 1 kHz. Como se muestra en la Fig. 2a-c, con 3.6 nm fijos de t _AlO , TaN / Al ₂ O ₃ / El condensador de Ge logra una mayor saturación P ( P _sentado ) en comparación con los dispositivos con electrodos superiores TaN / Ti y W. El comportamiento de tipo ferroeléctrico está fuertemente correlacionado con interfaces, y se propone que la formación de TaAlO _x IL entre TaN y Al ₂ O ₃ produce más vacantes de oxígeno, lo que contribuye a un cambio más fuerte P , en comparación con TiAlO _x y WAlO _x ILs. P-V Las curvas de la Fig. 2d indican que TaN / Al ₂ O ₃ / El condensador TaN tiene una P mucho más alta _sentado en comparación con TaN / Al ₂ O ₃ / Ge, que se atribuye al hecho de que el doble TaAlO _x Los IL proporcionan una mayor concentración de vacantes de oxígeno. Mientras P _sentado es significativamente menor que con el electrodo inferior de Si (Fig. 2e), en comparación con el electrodo de Ge. Este resultado indica que Al ₂ O ₃ La calidad de la interfaz / Si es mejor, es decir, menos vacantes de oxígeno, en comparación con la del dispositivo basado en el sustrato de Ge. La figura 2f muestra el P-V curvas de un TaN / Al ₂ O ₃ (6 nm) / condensador de Ge, que exhibe un V más alto _c y una P casi idéntica _sentado en comparación con el del dispositivo con 3,6 nm de Al ₂ O ₃ película en la Fig. 2b. Cabe señalar que el motivo de la P no cerrada - V bucles se debe a que efectivamente existe una fuga. Se informó que la gran desviación en un campo eléctrico de cero siempre ocurría con un campo grande, y siempre desaparecía gradualmente con el rango de barrido más pequeño de V [11, 12].

P medido frente a V características del Al ₂ O ₃ condensadores con diferentes electrodos. un , b y c mostrando la P - V curvas de TaN / Ti / Al ₂ O ₃ / Ge, TaN / Al ₂ O ₃ / Ge y W / Al ₂ O ₃ / Ge, respectivamente, con una t de 3,6 nm _AlO . d y e mostrando que la P _sentado se mejora (reduce) utilizando TaN (Si) como electrodo inferior en lugar de Ge. f TaN / Al ₂ O ₃ (6 nm) / El condensador de Ge tiene un V más alto _c y una P similar _sentado en comparación con el dispositivo de 3,6 nm de grosor en b . g y h Medidas de resistencia que no muestran degradación de P _r y V _c observado después de 10 ⁴ ciclos de barrido para un TaN / Al ₂ O ₃ (3,6 nm) / condensador de Ge

Las figuras 2g yh muestran la evolución extraída del remanente positivo y negativo P ( P _r ) y coercitivo V ( V _c ) valores, respectivamente, superiores a 10 ⁴ ciclos de barrido para un TaN / Al ₂ O ₃ / Condensador Ge. No se observa ningún efecto de despertar, impronta o fatiga. V _c del dispositivo es ~ 1.8 V, lo que indica que el E en el Al ₂ O ₃ la película es de 4 ~ 6 MV / cm y en los IL puede superar los 8 MV / cm, que es lo suficientemente alta para impulsar las vacantes de oxígeno [13, 14]. P _sentado de los dispositivos varía de 1 a 5 μC / cm ² , correspondiente a una concentración de vacante de oxígeno razonable en el rango de 3 ~ 15 × 10 ¹² cm ^-2 asumiendo que tienen cargo de más dos.

El mecanismo subyacente del comportamiento ferroeléctrico asociado con las vacantes de oxígeno en Al ₂ O ₃ se discuten los dispositivos. La migración de las vacantes de oxígeno impulsadas por voltaje se ha demostrado ampliamente en dispositivos de memoria resistiva de acceso aleatorio [15, 16]. La Figura 3 muestra los esquemas de la P conmutable en TaN / Al ₂ O ₃ / Ge, que se origina en la segregación de las vacantes de oxígeno moduladas por voltaje y las cargas negativas para formar los dipolos eléctricos. Es razonable inferir que las vacantes de oxígeno móvil surgen principalmente de la formación de TaAlO _x IL y se encuentran cerca de la interfaz superior en el estado inicial (Fig. 3a). Las figuras 3b yc indican cómo la P positiva y negativa se forman, respectivamente, con la modulación de la vacancia de oxígeno y los dipolos de carga negativa bajo el voltaje aplicado. Espectros de fotoelectrones de rayos X (XPS) de Al ₂ O ₃ / Ge y (Ti, TaN y W) / Al ₂ O ₃ / Las muestras de Ge se miden y se muestran en la Fig. 4). Para todo el metal / Al ₂ O ₃ / Ge muestras, hay un óxido metálico IL formado entre el metal y el Al ₂ O ₃ , que se propone que sean el reservorio de iones de oxígeno y las vacantes, lo que es consistente con la Ref. [17].

Esquemas del mecanismo para el comportamiento de tipo ferroeléctrico en Al ₂ O ₃ condensadores. P conmutable se debe a la migración de las vacantes de oxígeno y las cargas negativas para formar dipolos

Espectros XPS de nivel central de a Al ₂ O ₃ / Ge, b TaN / Al ₂ O ₃ / Ge, c Ti / Al ₂ O ₃ / Ge y d W / Al ₂ O ₃ / Ge muestras

Caracterizar el rendimiento eléctrico de Al ₂ O ₃ NVFET como NVM, la operación de programa (borrado) se logra aplicando pulsos de voltaje positivo (negativo) a la puerta, para aumentar (disminuir) su voltaje de umbral ( V _TH ). La Figura 5a muestra cómo las características de transferencia de la región lineal del Al ₂ O ₃ Cambio de NVFET relativo al I inicial _DS - V _GS curva medida con ± 4 V programe (borre) voltajes con ancho de pulso de 100 ns. Aquí, V _TH se define como una V _GS a 100 nA⋅W / L, y MW se define como el cambio máximo en V _TH . El Al ₂ O ₃ NVFET obtiene un MW de 0,44 V, aunque Al ₂ amorfo O ₃ la película tiene una P más pequeña _r que el HfO dopado informado ₂ películas [5, 8]. Se observa que la alta frecuencia operativa de hasta 10 MHz de Al ₂ O ₃ Memoria NVFET, que es indicativa de esa P conmutable en Al ₂ O ₃ se origina de la migración de la vacante de oxígeno impulsada por voltaje para formar dipolos, no de defectos de captura / eliminación de cargas. Se aplicaron programas alternos y pulsos de borrado al Al ₂ O ₃ dispositivos para estudiar más a fondo la resistencia del dispositivo. La Figura 5b muestra las gráficas de V _TH vs . Número de ciclo P / E, lo que sugiere que se puede mantener un MW estable sin una degradación significativa sobre 10 ⁶ Ciclos P / E para un Al ₂ de 3,6 nm de espesor O ₃ NVFET.

un Medido I _DS - V _GS curvas de un Al ₂ de 3,6 nm de espesor O ₃ NVFET para los estados inicial y dos de polarización. Se obtiene un MW de 0,44 V. b La medición de la resistencia demuestra que no se observa degradación de MW después de 10 ⁶ Ciclos P / E

En particular, el comportamiento de tipo ferroeléctrico observado en el Al ₂ amorfo O ₃ Los dispositivos pueden extenderse a los óxidos amorfos universales, por ejemplo, óxido de hafnio (HfO ₂ ) y óxido de circonio (ZrO ₂ ).