Transistores de efecto de campo ferroeléctrico ZrO2 habilitados por los dipolos de vacantes de oxígeno conmutables

Resultados y discusión

La figura 2 muestra la P frente a voltaje ( V ) curvas de TaN / ZrO ₂ / Condensadores Ge con diferentes ZrO ₂ espesores y diferentes temperaturas de recocido. Las líneas continuas con diferentes colores representan los bucles menores con varios rangos de voltaje de barrido ( V _rango ). La frecuencia de medición es de 1 kHz. El ZrO ₂ de 2,5 nm y 4 nm los dispositivos pueden exhibir ferroelectricidad estable después de un RTA a 350 ° C. La Figura 3 traza el P remanente ( P _r ) en función del barrido V curvas de rango para los condensadores recocidos a varias temperaturas.

P medido frente a V características del TaN / ZrO ₂ / Condensadores Ge con diferentes ZrO ₂ espesores y distintas temperaturas de recocido

Comparación de P _máx en función de V _rango para TaN / ZrO ₂ / Condensadores Ge con diferentes ZrO ₂ espesores y distintas temperaturas de recocido

La Figura 3 muestra la comparación de P _máx en función de V _rango para TaN / ZrO ₂ / Condensadores Ge con los diferentes ZrO ₂ espesores y las diversas temperaturas RTA. Para el ZrO ₂ de 4 nm dispositivos, a medida que la temperatura de recocido aumenta de 350 a 450 ° C, un V mayor _rango es necesario para obtener una P fija _máx . Esto se atribuye al hecho de que la temperatura de recocido más alta produce las capas interfaciales más gruesas (IL) entre en Ge / ZrO ₂ y ZrO ₂ / TaN interfaces, lo que conduce a un espesor equivalente de capacitancia unificada (CET) más grande. Para el ZrO ₂ de 2,5 nm condensadores, la muestra con recocido de 500 ° C tiene un V menor _rango que la muestra de recocido a 350 ° C con el mismo P _máx . Aunque los IL se vuelven más gruesos con el aumento de la temperatura del RTA, algo de ZrO ₂ fue consumida por la captación e interdifusión de oxígeno en la interfaz. Para el ZrO ₂ muy delgado dispositivo, este último es dominante. En comparación con el ZrO ₂ de 2,5 nm condensador, un V mucho más grande _rango es necesario para lograr una P similar _máx . Sin embargo, el ZrO ₂ de 9 nm el condensador no exhibe el V más alto _rango en comparación con el dispositivo de 4 nm. Esto se debe al cristal ZrO ₂ que tiene un κ mucho más alto valor que la película amorfa, lo que reduce significativamente el CET del dispositivo de 9 nm.

La figura 4a muestra la evolución extraída de la P positiva y negativa _r , denotado por \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {+} \) y \ ({P} _ {\ mathrm {r}} ^ {-} \), respectivamente, para los 4 nm- grueso ZrO ₂ condensadores con RTA a diferentes temperaturas superiores a 10 ⁶ ciclos de barrido medidos a 1 kHz. Los dispositivos recocidos a 350 ° C y 450 ° C exhiben el obvio efecto de despertar. No se observa ningún despertar o huella para el ZrO ₂ de 4 nm El condensador ferroeléctrico se sometió a recocido a 500 ° C. La Figura 4b compara la P _r en función de los ciclos de barrido para los dispositivos con los diferentes ZrO ₂ espesores. El ZrO ₂ de 4 nm El condensador ferroeléctrico logra una estabilidad mejorada de P _r resistencia en comparación con los dispositivos de 2,5 nm y 9 nm durante los 10 ⁶ prueba de resistencia.

un P _r en comparación con el número de ciclos de barrido de pulsos ms para ZrO ₂ de 4 nm condensadores con diferentes temperaturas RTA. b P _r en comparación con el número de ciclos de barrido de pulsos ms para el ZrO ₂ condensadores después del recocido a 500 ° C

El cambio P se observa en ZrO ₂ amorfo capacitancia, y se infiere que el mecanismo debe ser diferente al del poli-HfO dopado reportado ₂ películas ferroeléctricas. Proponemos que el mecanismo subyacente para el comportamiento ferroeléctrico está relacionado con los dipolos vacantes de oxígeno. Es bien sabido que, a medida que se deposita el metal TaN, las capas captadoras de oxígeno de Ta aumentarán la concentración de vacantes de oxígeno dentro de ZrO ₂ [10]. Las vacantes de oxígeno también aparecen en el ZrO ₂ / Ge interfaz. La Figura 5 muestra los esquemas de la P conmutable en TaN / ZrO ₂ / Ge que se origina en la migración de las vacantes de oxígeno y las cargas negativas para formar los dipolos positivos y negativos. Se especula que las cargas negativas en ZrO ₂ están relacionados con la vacante Zr [11], que es similar a las de Al ₂ O ₃ película [12]. La migración de las vacantes de oxígeno impulsadas por voltaje se ha demostrado ampliamente en dispositivos de memoria resistiva de acceso aleatorio [13, 14]. En particular, esta es la primera demostración de transistores no volátiles de tres terminales dominados por las vacantes de oxígeno impulsadas por voltaje.

Esquemas del mecanismo para P conmutable en ZrO ₂ condensadores, que se atribuye a la migración de las vacantes de oxígeno impulsadas por voltaje y las cargas negativas para formar dipolos

El P-V histéresis habilita el ZrO ₂ FeFET para obtener un MW grande y estable para las aplicaciones NVM integradas (eNVM). La figura 6 muestra el I medido _DS - V _GS curvas de 2,5, 4 y 9 nm ZrO ₂ FeFET para los dos estados de polarización con condiciones de programa / borrado (P / E) de 1 μs. Los transistores se recocieron a 500 ° C. La operación del programa (borrado) se logra aplicando pulsos de voltaje positivo (negativo) a la puerta del ZrO ₂ FeFET, para aumentar (disminuir) su voltaje de umbral ( V _TH ). V _TH se define como V _GS a 100 nA · W / L, y MW se define como el cambio máximo en V _TH . Todos los FeFET con varios ZrO ₂ los espesores tienen el MW por encima de 1 V con pulsos P / E de 1 μs. Para lograr un MW similar, se necesita un voltaje de borrado más alto para el ZrO ₂ de 9 nm FeFET en comparación con los otros dos transistores. Se ve que una magnitud mayor borra V _GS es necesario para obtener el desplazamiento aproximadamente igual de I-V relativo a la curva inicial en comparación con el programa V _GS . Se especula que las vacantes de oxígeno que contribuyen a la P provienen principalmente de la reacción entre TaN y ZrO ₂ , como el estado inicial del dispositivo en la Fig. 5a. Como una V positiva _GS (programa), las vacantes de oxígeno se difunden y se acumulan en la capa cercana al ZrO ₂ / Interfaz Ge (Fig. 5b), donde la distribución de los dipolos vacantes de oxígeno es bastante diferente del estado inicial. Por lo que es fácil cambiar el I-V curva a una | V más alta _TH | con una V positiva _GS . Sin embargo, como V negativo _GS (borrar), la retrodifusión de las vacantes de oxígeno devuelve la pila de puertas a su estado original (Fig. 5c). Entonces, la magnitud del borrado negativo V _GS debe aumentarse para lograr el cambio equivalente de I-V al programa positivo V _GS .

Medido I _DS - V _GS curvas de ZrO ₂ de 2,5, 4 y 9 nm de espesor FeFET para los estados inicial y dos de polarización con pulsos P / E de 1 μs

A medida que el ancho del pulso P / E se reduce a 100 ns, el ZrO ₂ Los FeFET todavía demuestran el MW decente, como se muestra en la Fig. 7a. Especialmente, el transistor con 2.5 nm ZrO ₂ recocido a 350 ° C alcanza un MW de 0,28 V. La figura 7b traza el MW frente al número de ciclo para los FeFET con varios ZrO ₂ espesores con condición de pulso P / E de 100 ns. El ZrO ₂ de 4 nm El dispositivo logra un rendimiento de resistencia significativamente mejorado en comparación con el ZrO ₂ de 2,5 nm y 9 nm FeFET, que exhiben un evidente efecto de despertar y fatiga dentro de los 10 ³ ciclos.

un yo _DS - V _GS curvas de ZrO ₂ de 2,5, 4 y 9 nm de espesor FeFET para los dos estados de polarización con pulsos P / E de 100 ns. Los dispositivos se sometieron a una RTA a 500 ° C. b FeFET con 4 nm ZrO ₂ tiene una resistencia mejorada en comparación con el ZrO ₂ de 2,5 y 9 nm transistores

Finalmente, la prueba de retención del ZrO ₂ Los FeFET se caracterizan y se muestran en las Figs. 8 y 9. La figura 8 a muestra la evolución de I _DS - V _GS curvas para los dos estados de polarización del ZrO ₂ de 4 nm Los FeFET se sometieron a RTA a 350, 450 y 500 ° C. La captura de carga conduce a la reducción de los dispositivos con el tiempo. Como se muestra en la Fig. 8b, el rendimiento de retención de los dispositivos se puede mejorar con el aumento de la temperatura RTA. Se extrapola un MW de ~ 0,46 V para mantenerlo durante 10 años. La Figura 9 compara las características de retención de los FeFET con diferentes ZrO ₂ espesores. El ZrO ₂ de 4 nm El dispositivo tiene un rendimiento de retención mejorado en comparación con los transistores con ZrO ₂ de 2,5 y 9 nm de espesor .

un La evolución de I _DS - V _GS curvas para los dos estados de polarización del ZrO ₂ de 4 nm FeFET con diferentes temperaturas RTA. b El ZrO ₂ de 4 nm El dispositivo recocido a 500 ° C tiene un rendimiento de retención mucho mejor en comparación con los transistores con RTA a temperaturas más bajas

un La evolución de I _DS - V _GS curvas para los dos estados de polarización para el ZrO ₂ de 2,5, 4 y 9 nm de espesor Los FeFET se sometieron a un RTA a 500 ° C. b El ZrO ₂ de 4 nm El dispositivo tiene un rendimiento de retención mejorado en comparación con los transistores con ZrO ₂ de 2,5 y 9 nm de espesor

Conclusiones

En resumen, ZrO ₂ amorfo Los condensadores ferroeléctricos se demuestran experimentalmente y se especula que la ferroelectricidad se debe a la migración de los dipolos impulsados ​​por voltaje formados por las vacantes de oxígeno y las cargas negativas. FeFET con ZrO ₂ de 2,5 nm, 4 nm y 9 nm tener el MW por encima de 1 V con pulsos P / E de 1 μs. Las características mejoradas de fatiga y retención se obtienen en el ZrO ₂ de 4 nm de espesor FeFET en comparación con los dispositivos con 2,5 nm y 9 nm ZrO ₂ . La prueba de retención indica que el ZrO ₂ de 4 nm El transistor mantiene un MW extrapolado a 10 años de ~ 0,46 V.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen en el artículo.

Abreviaturas

RTA:

Recocido térmico rápido

IL:

Capa interfacial

TaN:

Nitruro de tantalio

FeFET:

Transistores de efecto de campo ferroeléctricos

TDMAZr:

Tetrakis (dimetilamido) circonio

Ge:

Germanio

ZrO ₂ :

Dióxido de circonio

ALD:

Deposición de la capa atómica

HF:

Ácido fluorhídrico

BF ₂ ⁺ :

Ión de fluoruro de boro

MW:

Ventana de memoria

NVM:

Memoria no volátil

P _r :

Polarización remanente

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

Ni:

Níquel

P _máx :

Polarización máxima

RTA:

Recocido térmico reembolsado

V _rango :

Rango de voltaje de barrido

Estudio de resolución atómica EDX, HAADF y EELS de aleaciones GaAs1-xBix Variación en la microestructura y las propiedades mecánicas de las películas de Ti-Al-N inducida por la atmósfera de plasma de nitrógeno reactivo mejorado de la fuente de iones RF-ICP