Comportamiento ferroeléctrico estable en Al₂O₃ amorfo de 3,6 nm permite NVFET multi-compuerta escalables

Resumen

Los dispositivos ferroeléctricos tradicionales sufren de falta de escalabilidad. La película delgada de HfO₂ dopado es prometedora para resolver el problema de escalado, pero enfrenta desafíos de alta corriente de fuga y preocupaciones de uniformidad por su naturaleza policristalina. Por primera vez se demuestra un comportamiento ferroeléctrico estable en una película de Al₂O₃ amorfo de 3,6 nm de espesor. Los dispositivos de Al₂O₃ amorfo son altamente escalables, lo que permite transistores de efecto de campo no volátiles (NVFET) multi-compuerta con paso de aleta a escala nanométrica. También poseen las ventajas de baja temperatura de proceso, alta frecuencia (~GHz), amplia ventana de memoria y larga resistencia, sugiriendo gran potencial en sistemas VLSI. Se propone la polarización conmutable (P) inducida por dipolos de vacancias de oxígeno modulados por voltaje.

Antecedentes

La memoria de acceso aleatorio ferroeléctrica (FeRAM) basada en ferroeléctricos perovskita convencionales (p. ej., PZT) ha sido una de las memorias no volátiles (NVM) comerciales [1], aunque no puede escalarse y no es compatible con CMOS. La ferroeléctricidad se ha observado ampliamente en una variedad de materiales diferentes, como paredes aórticas porcinas [2], nanohilos de Sb₂S₃ [3], película de GaFeO₃ [4], películas de HfO₂ policristalino dopado [5], películas de hidroxiapatita nanocristalina [6] y película de LaAlO₃-SrTiO₃ [7]. Entre estos materiales, las películas de HfO₂ dopado han atraído un interés especial para aplicaciones de NVM debido a su compatibilidad con procesos CMOS. Pero la estructura policristalina es inevitable para generar ferroeléctricidad en HfO₂ dopado, lo que trajo obstáculos para la aplicación de dispositivos: 1) es incompatible con el procesamiento "gate-last" con respecto al presupuesto térmico de 500 °C requerido para formar fases cristalinas ortorrómbicas [8]; 2) el consumo de energía se induce por corriente de fuga no deseada a lo largo de los bordes de grano, que aumenta exponencialmente junto con el escalado del espesor ferroeléctrico. Recientemente, un estudio teórico propuso que la ferroeléctricidad adicional en HfO₂ policristalino grueso (>5 nm) puede provenir de correlaciones de largo alcance en el ensamblaje de dipolos eléctricos creados por vacancias de oxígeno [9]. El mecanismo de atrapamiento/desatrape de carga defectuosa se observó para producir comportamiento ferroeléctrico en Al₂O₃ amorfo de 5 nm para memoria multi-estado, que sin embargo sufre de una frecuencia de atrapamiento/desatrape muy baja (p. ej., ~500 Hz) [10].

En este trabajo, se demuestra un comportamiento ferroeléctrico estable en una película de Al₂O₃ amorfo de 3,6 nm de espesor, donde se propone que la polarización conmutable (P) es inducida por dipolos de vacancias de oxígeno modulados por voltaje. La película de Al₂O₃ amorfo posee las ventajas de baja temperatura de proceso y frecuencia de operación hasta ~GHz, lo que permite NVFET multi-compuerta con paso de aleta a escala nanométrica. Se demuestra memoria NVFET de Al₂O₃ con voltajes de programación/borrado (P/E) de ancho de pulso de 100 ns y resistencia de más de 10⁶ ciclos P/E. También se investigan los efectos de los electrodos y el espesor de la película en la P en capacitores de Al₂O₃. Los dispositivos no volátiles amorfos muestran un futuro prometedor en memorias VLSI.

Métodos

Las películas de Al₂O₃ amorfo se crecieron en sustratos Si(001), Ge(001) y TaN/Si por deposición de capas atómicas (ALD). TMA y vapor de H₂O se usaron como precursores de Al y O, respectivamente. Durante la deposición, la temperatura del sustrato se mantuvo a 300 °C. Diferentes electrodos metálicos superiores, incluyendo TaN/Ti, TaN y W, se depositaron en superficies de Al₂O₃ por sputtering reactivo. Los capacitores con diferentes electrodos se fabricaron por litografía y grabado en seco. Recocido térmico rápido (RTA) a 350 °C durante 30 s se realizó. Los NVFET con pila de compuerta TaN/Al₂O₃ se fabricaron en Ge(001). Tras la formación de la compuerta, las regiones fuente/drenaje (S/D) se implantaron con BF₂⁺ con una dosis de 1 × 10¹⁵ cm⁻² y energía de 20 keV, y electrodos metálicos de níquel S/D de 20 nm de espesor se formaron luego por proceso de lift-off. La Fig. 1a y b muestra los esquemáticos del capacitor de Al₂O₃ fabricado y el NVFET de canal p. Hay una capa interfacial (IL) entre el electrodo y la película de Al₂O₃. La Fig. 1c y d muestran imágenes de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM) de las pilas TaN/Al₂O₃/Ge con diferentes espesores de Al₂O₃ amorfo (t_AlO) después de un RTA a 350 °C.

Resultados y Discusión

La Fig. 2 muestra las características medidas de P vs. voltaje V para los capacitores de Al₂O₃ amorfo con diferentes t_AlO y varios electrodos superior e inferior. La frecuencia de medición es 1 kHz. Como se muestra en la Fig. 2a-c, con un t_AlO fijo de 3,6 nm, el capacitor TaN/Al₂O₃/Ge alcanza una P de saturación (P_sat) más alta comparado con los dispositivos con electrodos superiores TaN/Ti y W. El comportamiento ferroeléctrico está fuertemente correlacionado con las interfaces, y se propone que la formación de IL de TaAlO_x entre TaN y Al₂O₃ produce más vacancias de oxígeno, contribuyendo a una P de conmutación más fuerte, comparado con las IL de TiAlO_x y WAlO_x. Las curvas P-V en la Fig. 2d indican que el capacitor TaN/Al₂O₃/TaN tiene un P_sat mucho más alto en comparación con TaN/Al₂O₃/Ge, lo que se atribuye a que las IL duales de TaAlO_x proporcionan mayor concentración de vacancias de oxígeno. Mientras que P_sat es significativamente menor que el de electrodo inferior Si (Fig. 2e), comparado con el electrodo Ge. Este resultado indica que la calidad de la interfaz Al₂O₃/Si es mejor, es decir, menos vacancias de oxígeno, comparado con el dispositivo basado en sustrato Ge. La Fig. 2f muestra las curvas P-V de un capacitor TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge, exhibiendo un V_c más alto y un P_sat casi idéntico comparado con el dispositivo con 3,6 nm de película de Al₂O₃ en la Fig. 2b. Se nota que la razón de los bucles P-V no cerrados es porque existe fuga. Se reportó que el gran desplazamiento en campo eléctrico cero siempre ocurre con un campo grande, y siempre desaparece gradualmente con el rango de barrido más pequeño de V [11, 12].

La Fig. 2g y h muestran la evolución extraída de la P remanente positiva y negativa (P_r) y el V coercitivo (V_c), respectivamente, sobre 10⁴ ciclos de barrido para un capacitor TaN/Al₂O₃/Ge. No se observa efecto de wake-up, imprint o fatiga. El V_c del dispositivo es ~1,8 V, indicando que el campo E en la película de Al₂O₃ es 4-6 MV/cm y en las IL puede exceder 8 MV/cm, lo suficientemente alto para impulsar las vacancias de oxígeno [13, 14]. El P_sat de los dispositivos varía de 1 a 5 μC/cm², correspondiente a una concentración razonable de vacancias de oxígeno en el rango 3-15×10¹² cm⁻² asumiendo que tienen carga de más dos.

Se discute el mecanismo subyacente para el comportamiento ferroeléctrico asociado con vacancias de oxígeno en dispositivos de Al₂O₃. La migración de vacancias de oxígeno impulsadas por voltaje se ha demostrado ampliamente en dispositivos de memoria de acceso aleatorio resistivo [15, 16]. La Fig. 3 muestra los esquemáticos de la P conmutable en TaN/Al₂O₃/Ge, que se origina de la segregación de vacancias de oxígeno moduladas por voltaje y cargas negativas para formar dipolos eléctricos. Es razonable inferir que las vacancias de oxígeno móviles surgen principalmente de la formación de IL TaAlO_x y se ubican cerca de la interfaz superior en el estado inicial (Fig. 3a). La Fig. 3b y c indican cómo se forman la P positiva y negativa, respectivamente, con la modulación de los dipolos de vacancia de oxígeno y carga negativa bajo el voltaje aplicado. Los espectros de fotoelectrones de rayos X (XPS) de Al₂O₃/Ge y muestras (Ti, TaN y W)/Al₂O₃/Ge se miden y muestran en la Fig. 4. Para todas las muestras metal/Al₂O₃/Ge, hay una IL de óxido metálico formada entre el metal y Al₂O₃, que se proponen como reservorio de iones y vacancias de oxígeno, consistente con Ref. [17].

Para caracterizar el rendimiento eléctrico del NVFET de Al₂O₃ como NVM, la operación de programación (borrado) se logra aplicando pulsos de voltaje positivo (negativo) a la compuerta, para elevar (bajar) su voltaje umbral (V_TH). La Fig. 5a muestra cómo las características de transferencia en región lineal del NVFET de Al₂O₃ se desplazan relativas a la curva I_DS-V_GS inicial medida con voltajes de programación (borrado) de ±4 V con ancho de pulso de 100 ns. Aquí, V_TH se define como V_GS a 100 nA·W/L, y MW se define como el cambio máximo en V_TH. El NVFET de Al₂O₃ obtiene un MW de 0,44 V, aunque la película de Al₂O₃ amorfo tiene P_r menor que las películas de HfO₂ dopado reportadas [5, 8]. Se nota que la alta frecuencia de operación hasta 10 MHz de la memoria NVFET de Al₂O₃, lo que indica que la P conmutable en Al₂O₃ se origina de la migración de vacancias de oxígeno impulsadas por voltaje para formar dipolos, no del atrapamiento/desatrape de carga defectuosa. Pulsos de programación y borrado alternados se aplicaron a los dispositivos de Al₂O₃ para estudiar más la resistencia del dispositivo. La Fig. 5b muestra los gráficos de V_TH vs. número de ciclo P/E, sugiriendo que un MW estable se puede mantener sin degradación significativa sobre 10⁶ ciclos P/E para un NVFET de Al₂O₃ de 3,6 nm de espesor.

Notablemente, el comportamiento ferroeléctrico observado en los dispositivos de Al₂O₃ amorfo puede extenderse a óxidos amorfos universales, p. ej., óxido de hafnio (HfO₂) y óxido de circonio (ZrO₂).

Conclusiones

El comportamiento ferroeléctrico estable se realiza por primera vez en capacitores con un aislante de Al₂O₃ amorfo delgado. La P conmutable en capacitores de Al₂O₃ amorfo se demuestra mediante bucles P-V y prueba de NVFET. El comportamiento ferroeléctrico se propone que se origina de los dipolos de vacancias de oxígeno e iones en la interfaz. El NVFET de Al₂O₃ de 3,6 nm alcanza un MW de 0,44 V y resistencia de más de 10⁶ ciclos bajo condiciones P/E de ±4 V a 100 ns. En conjunto, este trabajo abrió un nuevo mundo para dispositivos ferroeléctricos de óxido amorfo, que son prometedores para NVFET multi-compuerta (en forma de aleta, nanohilo o nanolámina) con paso de aleta potencialmente nano-escalado en sistemas VLSI.