Mejora de la ventana de memoria y la resistencia de FeFETs Hf0.5Zr0.5O2 con capas semilla de ZrO2: Caracterización por pulsos rápidos

Resumen

Los transistores de efecto de campo ferroeléctricos (FeFET) basados en HfO₂ con una pila de compuerta metal/ferroeléctrico/aislante/semiconductor (MFIS) surgen como candidatos fuertes para memorias no volátiles de alta densidad y velocidad. Aunque su rendimiento de retención cumple demandas industriales, la ventana de memoria (MW) y la resistencia aún no alcanzan los requisitos estrictos para despliegue a gran escala. En este estudio examinamos el efecto de una capa semilla cristalina de ZrO₂ en la MW, retención y resistencia de FeFETs Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO), usando mediciones de pulsos de voltaje rápidos. El FeFET HZO con capa semilla de ZrO₂ muestra una MW inicial mayor de 1,4 V, una MW extrapolada a 10 años de 0,9 V y una resistencia marcadamente mejorada (superando 10⁴ ciclos de conmutación) comparado con dispositivos sin capa semilla. Estos hallazgos confirman que una pila de compuerta cristalina alta-k/Si directa puede mejorar aún más el rendimiento y la fiabilidad de FeFETs basados en HfO₂.

Antecedentes

Las películas delgadas ferroeléctricas derivadas de HfO₂ han atraído gran interés para pilas de compuerta FeFET por su compatibilidad con procesos CMOS y excelente escalabilidad. Entre las muchas arquitecturas de pila de compuerta, la estructura MFIS es particularmente atractiva porque se alinea con diseños MOS actuales y puede integrarse con tecnologías de compuerta metálica alta-k (HKMG). Consecuentemente, FeFETs MFIS se han explorado para memorias no volátiles embebidas, FETs de capacitancia negativa, dispositivos neuromórficos y circuitos lógicos en memoria [1–8].

FeFETs MFIS de vanguardia fabricados con procesos HKMG han demostrado alta densidad de integración y velocidades de escritura rápidas [9,10]. Sin embargo, para aplicaciones de memoria no volátil, una MW grande y una retención y resistencia robustas son esenciales [11–14]. Los FeFETs basados en HfO₂ suelen ofrecer retención fiable (extrapolación a 10 años) [15–17], pero su resistencia varía entre 10⁴ y 10⁷ ciclos de conmutación [17–23]. Estudios teóricos sugieren que un aislante alta-k puede reducir el campo eléctrico a través de la pila MFIS, mitigando la curvatura de bandas y mejorando tanto la MW como la resistencia [12,14]. Experimentalmente, aumentar la constante dieléctrica de la capa aislante ultradelgada (p. ej., reemplazar SiO₂ por SiON) ha demostrado mejorar resistencia y MW [13]. Trabajos previos también indicaron que insertar una capa cristalina de ZrO₂ mejora la calidad cristalina de películas HZO y suprime la fase monoclínica perjudicial, resultando en una MW de 2,8 V medida por barrido DC [24].

Aquí presentamos un estudio sistemático de la MW, retención y resistencia de FeFETs HZO con y sin capa semilla cristalina de ZrO₂, caracterizados por pulsos de voltaje positivos y negativos rápidos. Discutimos cómo la capa semilla influye en las propiedades ferroeléctricas, la fiabilidad eléctrica y el rendimiento general del dispositivo.

Métodos

Ambos FeFETs de canal n —con y sin capa semilla de ZrO₂— se fabricaron usando un proceso de compuerta final como se detalla en Ref. [24]. La capa semilla de ZrO₂ y las capas HZO se depositaron a 300 °C por deposición de capas atómicas (ALD). La geometría del dispositivo se muestra en Fig. 1a, con ancho de canal W = 80 µm y longitud L = 7 µm. Además, se fabricaron capacitores TaN/HZO/TaN y TaN/HZO/ZrO₂/TaN para evaluar las propiedades ferroeléctricas de las películas HZO. Los bucles de histéresis polarización-voltaje (P-V) se midieron con un probador ferroeléctrico Radiant Technologies RT66A, mientras que las características de FeFET se registraron con un analizador Agilent B1500A equipado con generador de pulsos (B1525A) [20].

Se emplearon dos secuencias de prueba principales (Fig. 1b,c). Para estudios de MW y retención, se aplicaron primero pulsos de programación/borrado (P/E) a las compuertas de los FeFETs, seguidos de operaciones de lectura en varios intervalos de tiempo usando barridos I_D-V_G (V_D = 0,1 V). El voltaje umbral V_TH se extrajo a una corriente de drenaje de 10⁻⁷ A·W/L [25], y la MW se definió como la diferencia en V_TH entre los estados programado y borrado. La resistencia se evaluó midiendo la MW después de un número específico de pulsos P/E alternados.

Resultados y Discusión

La Figura 2a muestra los bucles de histéresis P-V de los capacitores TaN/HZO/TaN y TaN/HZO/ZrO₂/TaN. La inclusión de la capa semilla cristalina de ZrO₂ mejora marcadamente la respuesta ferroeléctrica, consistente con informes previos [26], y confirma que la capa semilla mejora la cristalinidad de la película HZO y suprime la fase monoclínica [24].

En los FeFETs, las características I_D-V_G en sentido antihorario confirman que la MW proviene de la conmutación de polarización ferroeléctrica y no de atrapamiento de carga. El FeFET con capa semilla de ZrO₂ alcanza una MW de 1,4 V —casi 1,8 veces mayor que los 0,8 V observados en el dispositivo sin semilla— e iguala los mejores valores reportados hasta la fecha [9,11,14,17,21–23,27].

El rendimiento de retención se evaluó midiendo V_TH después de pulsos de programación y borrado a temperatura ambiente (Fig. 3). Ambos dispositivos exhiben una tendencia aproximadamente lineal de V_TH versus log(tiempo). La extrapolación a 10 años produce una MW de 0,9 V para el dispositivo con capa semilla, comparado con 0,6 V para el sin semilla. El CET mayor de la pila ZrO₂/SiO₂ (1,5 nm/2,6 nm) aumenta el campo de despolarización, sugiriendo que ganancias adicionales de retención podrían lograrse adelgazando la capa de SiO₂.

La Figura 4 traza la evolución de las curvas I_D-V_G bajo ciclos P/E alternados de ±7 V/100 ns. El dispositivo sin semilla muestra desplazamiento significativo y degradación de pendiente desde ciclos tempranos, con el estado borrado sufriendo mayor pérdida de pendiente. En contraste, el dispositivo con capa semilla exhibe solo un ligero desplazamiento positivo en el estado borrado —atribuible al efecto de activación (wake-up) [13,28–32]— y desplazamiento despreciable en el estado programado hasta 1×10³ ciclos. Ambos estados también muestran solo una ligera degradación de pendiente, indicando generación reducida de trampas de interfaz.

La densidad de trampas de interfaz (ΔN_it) se derivó del cambio en el swing subumbral usando ΔSS = (ΔN_it kT ln 10)/(C_FI ϕ_F) [34,35]. Como se muestra en Fig. 5, ΔN_it aumenta bruscamente en el dispositivo sin semilla desde los primeros ciclos y es marcadamente mayor en el estado borrado. Por el contrario, el dispositivo con capa semilla muestra casi ningún cambio en ΔN_it hasta 1×10³ ciclos y valores consistentemente menores que el dispositivo sin semilla. El campo eléctrico reducido a través de la pila de compuerta, debido a la capa semilla alta-k, disminuye la curvatura de bandas y suprime la generación de trampas de interfaz [12,14].

Las corrientes de fuga de compuerta (I_G-V_G) también reflejan el impacto de la capa semilla (Fig. 6). El dispositivo sin semilla experimenta un aumento dramático de fuga desde los primeros ciclos, mientras que el dispositivo con capa semilla muestra cambios despreciables hasta 5×10² ciclos y mantiene una fuga menor en todo momento. Dado que las trampas de interfaz pueden aumentar la fuga, la supresión de generación de trampas en el dispositivo con capa semilla explica la estabilidad observada.

Finalmente, los valores de V_TH extraídos de las curvas I_D-V_G sobre ciclos P/E (Fig. 7) revelan que el dispositivo con capa semilla mantiene consistentemente una MW mayor que el sin semilla. Mientras que la MW del dispositivo sin semilla se degrada rápidamente, la MW del dispositivo con capa semilla disminuye solo ligeramente hasta 1×10³ ciclos y permanece por encima de 0,9 V incluso después de 1×10⁴ ciclos —aproximadamente 2,3 veces la MW de 0,4 V del dispositivo sin semilla. El campo eléctrico reducido requerido para alcanzar estados de polarización saturados probablemente sustenta esta ventaja de resistencia.

Conclusiones

Mediciones de pulsos rápidos en FeFETs HZO con pilas de compuerta MFIS TaN/HZO/SiO₂/Si y TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si demuestran que una capa semilla cristalina de ZrO₂ aumenta significativamente la ventana de memoria y la resistencia. El dispositivo con capa semilla alcanza una MW inicial de 1,4 V, una MW extrapolada a 10 años de 0,9 V y sostiene una MW por encima de 0,9 V después de 10⁴ ciclos P/E —superando sustancialmente al homólogo sin semilla. Las mejoras provienen de la cristalinidad mejorada de la capa HZO y la generación reducida de trampas de interfaz debido al campo eléctrico menor a través de la pila de compuerta. Estos resultados sugieren que integrar una pila de compuerta cristalina alta-k/Si directa elevará aún más la MW y la fiabilidad de FeFETs basados en HfO₂, allanando el camino para su adopción en memorias de próxima generación y tecnologías lógicas en memoria.