Transistor de memoria ferroeléctrico MoS2 2D de funcionamiento de bajo voltaje con estructura de compuerta Hf1-xZrxO2

Resultados y discusión

Preparamos un MoS ₂ de pocas capas por exfoliación mecánica de cristal a granel y transfirió el MoS ₂ nanoflake en 2 nm Al ₂ O ₃ / 6 nm HZO / p ⁺ Sustrato de Si (ver más detalles en la sección “Experimental”). Las figuras 1a yb muestran una vista esquemática en 3D y una sección transversal del HZO / MoS ₂ Estructura FeFET, respectivamente. Una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de vista superior del HZO / MoS ₂ FeFET se muestra en la Fig. 1c. El ancho y largo del MoS ₂ canal son 2 μm y 12 μm, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1d, el grosor del MoS ₂ El canal se confirmó mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). El espesor medido de 1,57 nm indica la presencia de 4 capas de MoS ₂ [26].

Estructura del dispositivo y propiedades básicas del MoS ₂ / HZO FeFET. un Representación esquemática tridimensional del MoS ₂ / HZO FeFET. b Sección transversal esquemática del MoS ₂ / HZO FeFET. c Imagen SEM de vista superior del MoS ₂ fabricado / HZO FeFET con electrodos de drenaje / fuente de Ti / Au, aisladores de compuerta ferroeléctrica HZO y MoS ₂ canales. d Perfil de altura usando AFM en modo de contacto a lo largo de la línea roja en c , validando la altura del MoS ₂ canal.

Como se muestra en la Fig. S1c yd, la composición elemental y de enlace de HZO se examinó mediante las mediciones de fotoelectrones de rayos X (XPS). Se encuentra que los picos son 19.05 eV, 17.6 eV, 185.5 eV y 183.2 eV, que corresponden al Hf 4f _5/2 , Hf 4f _7/2 , Zr 3d _3/2 y Zr 3d _5/2 , respectivamente [27]. La concentración atómica a lo largo del perfil de profundidad en la Fig. S1e confirma aún más la distribución del Al ₂ O ₃ / HZO / p ⁺ Estructura de tres capas de Si. Todo lo anterior confirma que la película de HZO que crece a través de nuestro sistema de deposición de capa atómica (ALD) es altamente cristalina.

Antes de investigar la caracterización de HZO / MoS ₂ FeFET, el comportamiento ferroeléctrico del Au / 2 nm Al ₂ O ₃ / 6 nm HZO / p ⁺ En la Fig. 2a se muestra la pila de compuertas de Si que utiliza la medición de voltaje de polarización. Claramente, nuestro HZO de 6 nm / Al ₂ de 2 nm fabricado O ₃ los condensadores exhiben bucles de histéresis de voltaje de polarización (medidos a 1 kHz). Mientras tanto, la polarización remanente P _r y el voltaje coercitivo V _c aumenta al aumentar el voltaje de barrido máximo, lo que implica el P-V Los bucles de histéresis se transforman de bucle menor a bucle mayor. A medida que el voltaje de barrido máximo aumenta de 2 a 4 V, P _r alcanza 0,66 μC / cm ² , 0,86 μC / cm ² y 1,1 μC / cm ² , respectivamente y V _c alcanza 1,12 V, 1,9 V y 2,04 V, respectivamente. P extraído _r y V _c dentro de 10 ⁵ Los ciclos de barrido de CC duraderos se muestran en la Fig. 2b y c. Obviamente, efectos de despertar y fatiga significativos dentro de 10 ⁵ Los ciclos se observan en el HZO de 6 nm / Al ₂ de 2 nm O ₃ condensador. El despertar y la fatiga se pueden atribuir a la difusión y redistribución de las vacantes de oxígeno bajo el campo eléctrico. El efecto de fatiga generalmente se asocia con la captura de carga en los sitios de defectos relacionados con las vacantes de oxígeno [28]. Los comportamientos de histéresis para la PRphase y lazo en forma de mariposa para el PRampl utilizando microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) se muestran en la Fig. S1b yc, lo que indica un cambio de polarización en función del voltaje de polarización de barrido. Teniendo en cuenta las diferentes resistencias de contacto entre la medición de voltaje de polarización y la medición de voltaje de respuesta piezoeléctrica, el V medido _c en la Fig. S1b yc no es tan consistente con los valores obtenidos en la Fig. 2a.

un Bucles de histéresis P-V para HZO (6 nm) / Al ₂ O ₃ (2 nm) condensador con diferentes rangos de barrido de voltaje. Dependencia de ( b ) P _r y c V _c sobre ciclismo para HZO (6 nm) / Al ₂ O ₃ (2 nm) condensador con ciclos de ± 4 V / 1 kHz

Además, se observa que hay un aumento en MW acompañado con el rango de voltaje de barrido elevado del voltaje de la puerta ( V _{GS, rango} ). Por lo general, la película policristalina HZO existe como estado multidominio [29], y la distribución del campo coercitivo de estos dominios satisface la distribución gaussiana. Por lo tanto, debe haber una mayor dependencia de la V elevada _{GS, rango} . El coercitivo archivó E _C corresponde al valor del campo eléctrico externo que puede reducir la polarización remanente a cero. Por lo tanto, la V _GS , _rango utilizado para cambiar la polarización en la película HZO se vuelve más grande con un voltaje coercitivo relacionado más alto V _C . Esta es la razón por la que los bucles de voltaje de polarización de la película HZO se extienden con un V más grande. _{GS, rango} , que se ha demostrado en la Fig. 2a. En otras palabras, la intensidad de polarización mejorada y la conmutación ferroeléctrica ocurren con el V elevado _{GS, rango} , lo que lleva a los fenómenos antes mencionados del MW extendido en sentido antihorario producido por el aumento de V _{GS, rango} . En V _{GS, rango} =(−2, 2 V), los MW casi desaparecen y emergen características casi libres de histéresis, lo que significa la compensación casi completa entre los efectos de la conmutación ferroeléctrica y la captura / eliminación de trampas de carga.

Para investigar más a fondo el efecto de la conmutación ferroeléctrica, el V _{GS, rango} se ha incrementado continuamente a (−6, 6 V) y (−6,5, 6,5 V). El I medido _DS - V _GS curvas del HZO MoS ₂ FeFET en V _{GS, rango} =(−6, 6 V) y (−6,5, 6,5 V) se muestran en la figura 3a. De manera similar, la ventana de memoria en sentido antihorario aumenta con la V extendida _{GS, rango} . En V _{GS, rango} =(−6,5, 6,5 V), el MW en sentido antihorario está por encima de 4 V y la relación de encendido / apagado también aumenta a 10 ⁷ , que se debe a la conmutación de polarización mejorada bajo un voltaje aplicado externo mayor. Generalmente, el mecanismo subyacente a los comportamientos de histéresis que se muestran en el I _DS - V _GS curvas durante el barrido bidireccional de V _GS es el cambio de voltaje de umbral, que puede ser modificado por los efectos predominantes de la conmutación de polarización, es decir, el efecto NC [30,31,32], que da como resultado una histéresis en sentido antihorario. Se llevó a cabo un estudio adicional de las características mejoradas del subumbral en el otro dispositivo bajo una V reducida _{GS, rango} . El I medido _DS - V _GS y punto extraído SS— I _DS curvas del otro dispositivo en V _{GS, rango} =(−3, 3 V) se grafican en la Fig. 3b. Está demostrado que en V _{GS, rango} =(−3, 3 V), HZO / MoS ₂ FeFET exhibe SS _For =51,2 mV / década y SS _Rev =66,5 mV / década, respectivamente. Es decir, la SS de menos de 60 mV / década y un MW de 0,48 V se pueden lograr simultáneamente en HZO / MoS ₂ FeFET a temperatura ambiente, que será una pista para distinguir entre NCFET y FeFET.

La prueba de corriente continua (CC) del HZO / MoS ₂ FeFET cuando el voltaje de drenaje ( V _DS ) es 0,5 V. a La comparación entre las curvas de transferencia con 6 V y 6,5 V como máximo de la tensión de puerta trasera. b Vista ampliada de las curvas de transferencia en un intervalo de 0 a -2 V de V _{GS, rango} =(−3, 3 V). Pendiente de subumbral puntual (SS) en función de la corriente de drenaje ( I _DS ) del HZO / MoS ₂ FeFET es ( b ) recuadro. El dispositivo muestra SS _For =51,2 mV / dec

Como se sabe, en NCFET, el SS puede ser menor de 60 mV / década a temperatura ambiente debido a la incorporación de la capacitancia dieléctrica de puerta negativa ( C _ins ), que se puede obtener mediante el segmento de pendiente negativa de d P / d E <0 inducida por la película ferroeléctrica, contribuyendo al factor de pila de la puerta (m) <1. El mecanismo subyacente al efecto NC [33] es el campo de despolarización generado por la película ferroeléctrica [34,35,36,37,38]. Se ha informado experimentalmente que debido al apantallamiento incompleto en la interfaz de la película ferroeléctrica [39], la carga de polarización residual podría producir un campo eléctrico interno a través de la película ferroeléctrica, que tiene la dirección opuesta al voltaje aplicado externamente, lo que lleva a la distribución del voltaje a través de la pila de puertas y el potencial de superficie del canal amplificado, denominado "efecto de amplificación de voltaje" [40,41,42]. Por lo general, la amplificación de voltaje se puede dividir en dos partes, la variación acelerada del potencial de la superficie del canal y el valor reforzado posterior, lo que proporciona la conmutación de ENCENDIDO / APAGADO abrupta y la I mejorada _ACTIVADO / Yo _APAGADO , respectivamente. Sin embargo, para FeFET, hay otra historia. Según el concepto de adaptación de capacitancia entre capacitancia ferroeléctrica ( C _FE ) y capacitancia semiconductora de óxido metálico ( C _MOS ) [43, 44, 45], cuando | C _FE |> C _MOS , la capacitancia total teórica ( C _total ) es positivo y el sistema es estable, lo que da como resultado los mismos comportamientos de polarización durante el barrido bidireccional de V _GS y el NCFET estable sin histéresis. Sin embargo, una buena coincidencia que da como resultado una SS y una transconductancia mejoradas es muy difícil de lograr, ya que tanto C _MOS y C _FE son condensadores muy no lineales y dependientes de la polarización. Además, | C _FE |> C _MOS debe garantizarse para todo el rango de voltaje de funcionamiento para evitar la histéresis. En cambio, una vez | C _FE | < C _MOS , la C teórica _total es negativo y el sistema es inestable, debe producirse un comportamiento de polarización separada durante la bi-conmutación de V _GS para mantener la C _total positivo, que podría producir la histéresis en sentido antihorario en FeFET para la aplicación NVM. Aquí, se menciona que los comportamientos histeréticos son el efecto posterior de la conmutación de polarización separada, lo que significa que el ancho de la ventana de histéresis se puede modificar fácilmente en función del concepto de adaptación de capacitancia, como, que puede manipularse mediante la variación de V _DS . Con un ajuste de capacitancia apropiado, incluso con un V muy reducido _{GS, rango} =(−3, 3 V), HZO / MoS ₂ FeFET todavía exhibe una ventana de histéresis obvia, y el cambio abrupto de SS _For =51,2 mV / dec al mismo tiempo, lo que sugiere además la existencia del efecto NC (efecto de polarización ferroeléctrica) también en la región subumbral. Aunque NCFET y FeFET son diferentes, FeFET también se puede adoptar como dispositivos lógicos con un MW más pequeño comparable, manteniendo un SS profundo por debajo de 60 mV / dec y un I más alto. _ACTIVADO / Yo _APAGADO proporción también debido al efecto NC.

El impacto de V _DS sobre el ancho de MW se ha investigado cuidadosamente. El yo _DS - V _GS curvas en escalas logarítmicas bajo diferentes V _DS se caracterizan en la Fig. S3. Se exhibe que, en una V fija _{GS, rango} =(−2, 2 V), los valores de V _GS extraído en I _DS =70 nA para el barrido bidireccional de V _GS todos cambian a la dirección negativa. Mientras tanto, también se demuestra que la variación en el barrido hacia adelante de V _GS es mucho más obvio que el de barrido inverso, lo que indica los fenómenos significativos de DIBL negativo. Cabe señalar que el efecto DIBL negativo siempre ocurre con un efecto NC [46, 47].

Después de la prueba de corriente continua (CC) anterior del HZO / MoS ₂ FeFET, además llevamos a cabo los MW medidos para diferentes P / E V _GS pulsos con 10 ms de ancho en la Fig. 4a. MW se define como el cambio máximo Δ V _TH después de P / E V _GS pulsos. Durante el V pulsado _GS aplicación, los otros terminales se fijaron en V _S = V _D =0 V. Para la operación de lectura (R), V _GS estaba en el rango de -1 V a 1 V con V _D =0,5 V y V _S =0 V. Como se muestra en la Fig. 4a, los MW extraídos se vuelven más grandes como P / E V _GS aumentan las legumbres. Cuando el P / E V impuesto _GS El pulso es de ± 3 V, el MW extraído es de 0,1 V. Cuando el P / E V impuesto _GS El pulso es de ± 5,5 V, el MW extraído es 0,275 V. En comparación con los MW en sentido antihorario de 4 V y 0,48 V en la Fig. 3a yb, los MW extraídos después de P / E V _GS el pulso se reduce considerablemente. Esto posiblemente se deba a una mayor densidad de estados de atrapamiento inducidos por la alta humedad en el aire [48]. Por lo tanto, el mecanismo de captura / eliminación de trampa de carga se mejora y el bucle de histéresis en sentido antihorario finalmente se reduce. Además, estudiamos la resistencia al ciclismo y la retención de datos del HZO / MoS ₂ FeFET bajo pulsos P / E con una altura de ± 5,5 V en la Fig. 4b. El programa V _GS el pulso fue de 10 ms de ancho con V _S = V _D =0 V. La Figura 4b ilustra los MW medidos en función de los ciclos de resistencia. El ciclo de resistencia está formado por pulsos periódicos P / R / E / R de voltaje de puerta trasera. Los voltajes aplicados a la puerta trasera de la altura de P, E, R fueron + 5,5 V, −5,5 V y 0 V, respectivamente. Y el ancho de pulso de P y E fue de 10 ms. Claramente, un MW de 0,3 V se puede mantener sin una degradación significativa después de 10 ³ Ciclos P / E. A medida que aumenta el número de ciclos de resistencia, el MW aumenta a 0,38 V después de 10 ciclos y luego vuelve a disminuir a 0,28 V después de 600 ciclos. El primer MW ampliado se denomina efecto despertador y el MW reducido posterior se denomina efecto de fatiga. El efecto de despertar corresponde al des-pinning de la pared del dominio, lo que lleva a un aumento de los dominios de polarización conmutables de la película HZO [49]. El efecto de fatiga corresponde a cargas recién inyectadas que fijan las paredes del dominio después de un gran número de ciclos P / E [50]. La retención de datos a temperatura ambiente se muestra en la Fig. 4c. Aquí, la degradación de MW es insignificante después de 10 ⁴ s. Por lo tanto, se puede esperar que un MW de aproximadamente 0,3 V sea sostenible durante 10 años mediante las líneas de extrapolación de puntos. Como se muestra en la Fig. 4d, el dispositivo es estable después de 10 ³ ciclos bajo los pulsos P / E con alturas de ± 3 V. La estabilidad del HZO / MoS ₂ FeFET muestra una gran perspectiva de las aplicaciones en la tecnología de memoria no volátil.

Rendimiento de la memoria del HZO / MoS ₂ FeFET bajo pulsos P / E. un MW extraídos (MW) bajo pulsos P / E con alturas de ± 3 V, ± 4 V, ± 5 V, ± 5,5 V y ± 6 V. b Medidas de resistencia en condiciones de pulso P / E. c Característica de retención del HZO / MoS ₂ FeFET. d Resistencia del HZO / MoS ₂ FeFET por 10 ³ ciclos bajo los pulsos P / E con alturas de ± 3 V

Una comparación de la figura del mérito con los dispositivos basados ​​en FeFET que combinan MoS ₂ y los dieléctricos de compuerta ferroeléctrica se proporcionan en la Tabla 1. Aquí, se enumeran la estructura del dispositivo, la polarización remanente, el campo eléctrico coercitivo, la dirección del bucle de histéresis, el MW, el voltaje de trabajo, los ciclos de resistencia y el tiempo de retención. Es obvio que el dispositivo que fabricamos exhibe la capa ferroeléctrica más delgada de 6 nm HZO y el voltaje de trabajo más bajo en comparación con otros trabajos [12,13,14,15,16,17,18], lo cual es importante para el futuro 2 nm o el nodo de proceso de 3 nm de la memoria de final de línea (BEOL). Al escalar el grosor de la capa ferroeléctrica, se logró un MW de aproximadamente 0,1 V bajo un voltaje de trabajo bajo de ± 3 V.Un voltaje de trabajo tan bajo se puede atribuir a las características intrínsecas de la capa de HZO en comparación con sus contrapartes, como P (VDF-TrFE) o HfO ₂ , que tiene un espesor mucho mayor. Además, nuestro dispositivo posee una polarización remanente menor P _r de 1,1 μC / cm ² en comparación con otros FeFET informados. La rápida desintegración de la pérdida de retención en un FeFET se debe a la existencia del campo de despolarización E _dep , que proviene de la compensación de carga incompleta debido a la existencia del Al ₂ O ₃ capa. Aquí, E _dep es directamente proporcional a la polarización remanente P _r [51]. Por lo tanto, la alta E _c y bajo P _r haz la proporción E _dep / E _c en MoS ₂ / HZO FeFET mucho menor, lo que lleva a una pérdida de retención muy pequeña asociada con el efecto de campo de despolarización. Aunque las prestaciones de retención de MoS ₂ Los FeFET basados ​​en HZO y P (VDF-TrFE) rondan los 10 ⁴ s, la película P (VDF-TrFE) debe ser de 150 nm [17].