Aprovechamiento de dipolos de vacancias de oxígeno conmutables para transistores de efecto de campo ferroeléctricos ZrO₂ robustos

Resumen

Este artículo investiga los impactos del recocido térmico rápido (RTA) posterior y el espesor de ZrO₂ en la polarización P y características eléctricas de capacitores TaN/ZrO₂/Ge y FeFETs, respectivamente. Tras RTA entre 350 y 500 °C, capacitores TaN/ZrO₂/Ge con película ZrO₂ amorfa de 2,5 y 4 nm exhiben P estable. Se propone que el comportamiento ferroeléctrico se origina en la migración de dipolos impulsados por voltaje formados por vacancias de oxígeno y cargas negativas. FeFETs con ZrO₂ de 2,5 nm, 4 nm y 9 nm demuestran ventana de memoria (MW) decente con pulsos programación/borrado de 100 ns. Un FeFET con ZrO₂ de 4 nm tiene características de fatiga y retención significativamente mejoradas comparado con dispositivos de 2,5 nm y 9 nm ZrO₂. El rendimiento retención del FeFET ZrO₂ puede mejorarse con aumento de temperatura RTA. Una MW de ~0,46 V se extrapola mantenerse durante 10 años para dispositivo con 4 nm ZrO₂.

Antecedentes

Los transistores de efecto de campo ferroeléctricos (FeFETs) basados en HfO₂ policristalino dopado han atraído considerable interés en aplicaciones memoria no volátil (NVM) debido a su compatibilidad con proceso CMOS. Aunque se ha demostrado rendimiento eléctrico decente en FeFETs basados en HfO₂ dopado, algunas limitaciones fundamentales aún aquejan sus aplicaciones prácticas, incluyendo el alto presupuesto térmico de 500 °C requerido para formar fases cristalinas ortorrómbicas y la corriente de fuga no deseada a lo largo de fronteras de grano con el escalado de espesor ferroeléctrico. La ferroeléctricidad se ha observado ampliamente en variedad de materiales diferentes, ej., nanohilos Sb₂S₃, película GaFeO₃, película LaAlO₃-SrTiO₃, y Al₂O₃ amorfo conteniendo nanocristales. Recientemente, reportamos FeFETs con aislante compuerta ZrO₂ parcialmente cristalizado funcionando como NVM y sinapsis analógica. Aunque los transistores ZrO₂ exhibieron rendimiento eléctrico decente con espesor menor comparado con HfO₂ dopado reportado, el mecanismo subyacente para la ferroeléctricidad en película ZrO₂ permanece sin clarificar. Es crítico y importante elucidar el origen de la polarización conmutable P para evaluar el límite rendimiento FeFETs ZrO₂.

En este trabajo, FeFETs TaN/ZrO₂/Ge con aislantes de 2,5 nm, 4 nm y 9 nm de espesor se fabrican. La P conmutable en capacitor TaN/ZrO₂/Ge se propone que se origina en la migración de vacancias de oxígeno impulsadas por voltaje y cargas negativas. Se investigan los impactos del espesor ZrO₂ y el recocido térmico rápido (RTA) posterior en la P de TaN/ZrO₂/Ge y la ventana de memoria (MW), resistencia y características retención de FeFETs.

Métodos

FeFETs con aislante compuerta ZrO₂ se fabricaron en sustrato n-Ge(001) de 4 pulgadas usando proceso similar a [8, 9]. Tras limpieza pre-compuerta en solución HF diluida (1:50), obleas Ge se cargaron en cámara deposición capa atómica (ALD). Películas ZrO₂ con espesores 2,5 nm, 4 nm y 9 nm se depositaron a 250 °C usando TDMAZr y H₂O como precursores de Zr y O, respectivamente. Un electrodo compuerta TaN de 100 nm de espesor se depositó por sputtering reactivo. Tras formación electrodo compuerta, las regiones fuente/drenaje (S/D) se implantaron con BF₂⁺ a dosis 1 × 10¹⁵ cm⁻² y energía 20 keV. Contactos S/D de níquel (Ni) de 15 nm de espesor se formaron por proceso lift-off. Finalmente, se realizó RTA a 350, 450 y 500 °C durante 30 s.

La Figura 1a muestra el esquema del transistor fabricado. Figuras 1b–d muestran imágenes microscopio electrónico de transmisión (TEM) de las pilas TaN/ZrO₂/Ge con 2,5, 4 y 9 nm de espesor ZrO₂, respectivamente. Todas las muestras se sometieron a RTA a 500 °C durante 30 s. La muestra de 2,5 nm ZrO₂ permanece como película aislante tras el recocido. Para la muestra de 4 nm, aunque se observan algunos nanocristales, ZrO₂ se mantiene como capa amorfa. Mientras que ocurre cristalización completa para la película ZrO₂ de 9 nm. Notablemente, existe una capa interfacial (IL) de GeO_x entre ZrO₂ y región canal Ge, aunque es demasiado delgada para observarse en imágenes TEM.

Resultados y discusión

La Figura 2 muestra curvas P vs. voltaje (V) para capacitores TaN/ZrO₂/Ge con diferentes espesores ZrO₂ y diferentes temperaturas recocido. Las líneas sólidas con diferentes colores representan bucles menores con varios rangos barrido voltaje (V_range). La frecuencia medición es 1 kHz. Los dispositivos de 2,5 nm y 4 nm ZrO₂ pueden exhibir ferroeléctricidad estable tras RTA a 350 °C. La Figura 3 traza la P remanente (P_r) en función de curvas rango barrido V para capacitores recocidos a varias temperaturas.

La Figura 3 muestra la comparación de P_max en función de V_range para capacitores TaN/ZrO₂/Ge con diferentes espesores ZrO₂ y varias temperaturas RTA. Para dispositivos 4 nm ZrO₂, a medida que temperatura recocido aumenta de 350 a 450 °C, se requiere un V_range mayor para obtener un P_max fijo. Esto se atribuye a que la temperatura recocido más alta produce capas interfaciales (ILs) más gruesas entre interfaces Ge/ZrO₂ y ZrO₂/TaN, llevando a mayor espesor equivalente capacitancia unificada (CET). Para capacitores 2,5 nm ZrO₂, la muestra con recocido 500 °C tiene un V_range menor que la muestra recocida 350 °C con el mismo P_max. Aunque las ILs se vuelven más gruesas con temperatura RTA aumentada, algo de ZrO₂ fue consumido por captación oxígeno e interdifusión en la interfaz. Para dispositivo ZrO₂ muy delgado, lo último es dominante. Comparado con capacitor 2,5 nm ZrO₂, se requiere un V_range mucho mayor para lograr un P_max similar. Sin embargo, el capacitor 9 nm ZrO₂ no exhibe V_range mayor en comparación con dispositivo 4 nm. Esto se debe a que ZrO₂ cristalino tiene un valor κ mucho mayor que la película amorfa, lo que reduce significativamente el CET del dispositivo de 9 nm.

La Figura 4a muestra la evolución extraída de P_r positivo y negativo, denotados por \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \) y \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), respectivamente, para capacitores ZrO₂ de 4 nm de espesor con RTA a diferentes temperaturas sobre 10⁶ ciclos barrido medidos a 1 kHz. Dispositivos recocidos a 350 °C y 450 °C exhiben efecto wake-up obvio. No se observa wake-up ni imprint para capacitor ferroeléctrico 4 nm ZrO₂ recocido a 500 °C. La Figura 4b compara P_r en función de ciclos barrido para dispositivos con diferentes espesores ZrO₂. El capacitor ferroeléctrico 4 nm ZrO₂ logra estabilidad mejorada de P_r resistencia comparado con dispositivos 2,5 nm y 9 nm durante prueba resistencia 10⁶ ciclos.

La P conmutable se observa en capacitancia ZrO₂ amorfa, e infiere que el mecanismo debe ser diferente al de películas ferroeléctricas HfO₂ policristalino dopado reportadas. Proponemos que el mecanismo subyacente para comportamiento ferroeléctrico está relacionado con dipolos vacancias oxígeno. Es bien conocido que, al depositarse metal TaN, las capas captadoras oxígeno Ta aumentarán la concentración vacancias oxígeno dentro de ZrO₂. Vacancias oxígeno también aparecen en interfaz ZrO₂/Ge. La Figura 5 muestra esquemas de la P conmutable en TaN/ZrO₂/Ge originada de la migración de vacancias oxígeno y cargas negativas para formar dipolos positivos y negativos. Se especula que las cargas negativas en ZrO₂ están relacionadas con vacancia Zr, similar a las en película Al₂O₃. La migración de vacancias oxígeno impulsadas por voltaje ha sido ampliamente demostrada en dispositivos memoria resistiva de acceso aleatorio. Notablemente, esta es la primera demostración de transistores no volátiles de tres terminales dominados por vacancias oxígeno impulsadas por voltaje.

La histéresis P-V permite a FeFETs ZrO₂ obtener una MW grande y estable para aplicaciones memoria no volátil embebida (eNVM). La Figura 6 muestra las curvas I_DS-V_GS medidas de FeFETs ZrO₂ de 2,5, 4 y 9 nm para los dos estados de polarización con condiciones programación/borrado (P/E) de 1 μs. Los transistores fueron recocidos a 500 °C. La operación programación (borrado) se logra aplicando pulsos voltaje positivos (negativos) a la compuerta de FeFETs ZrO₂, para elevar (reducir) su voltaje 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 FeFETs con varios espesores ZrO₂ tienen MW superior a 1 V con pulsos P/E de 1 μs. Para lograr una MW similar, se necesita un voltaje borrado mayor para FeFET 9 nm ZrO₂ comparado con los otros dos transistores. Se ve que se requiere una mayor magnitud de voltaje borrado V_GS negativo para obtener un desplazamiento aproximadamente igual de I-V relativo a la curva inicial comparado con voltaje programación V_GS positivo. Se especula que las vacancias oxígeno contribuyendo a P provienen principalmente de la reacción entre TaN y ZrO₂, como el estado inicial del dispositivo en Fig. 5a. Al aplicarse un V_GS positivo (programación), las vacancias oxígeno difunden y acumulan en la capa cerca de la interfaz ZrO₂/Ge (Fig. 5b), donde la distribución de dipolos vacancia oxígeno es bastante diferente del estado inicial. Así, es fácil desplazar la curva I-V a un |V_TH| mayor con V_GS positivo. Sin embargo, al aplicarse un V_GS negativo (borrado), la difusión inversa de vacancias oxígeno devuelve la pila compuerta a su estado original (Fig. 5c). Por tanto, la magnitud del V_GS borrado negativo debe aumentarse para lograr el desplazamiento equivalente de I-V al V_GS programación positivo.

Al reducirse el ancho pulso P/E a 100 ns, los FeFETs ZrO₂ aún demuestran MW decente, como muestra Fig. 7a. Especialmente, el transistor con 2,5 nm ZrO₂ recocido a 350 °C logra MW de 0,28 V. La Figura 7b traza MW vs. número ciclos para FeFETs con varios espesores ZrO₂ con condición pulso P/E 100 ns. El dispositivo 4 nm ZrO₂ logra rendimiento resistencia significativamente mejorado comparado con FeFETs 2,5 nm y 9 nm ZrO₂, que exhiben efecto wake-up obvio y fatiga dentro de 10³ ciclos.

Finalmente, la prueba retención de FeFETs ZrO₂ se caracteriza y muestra en Figs. 8 y 9. La Figura 8a muestra la evolución de curvas I_DS-V_GS para los dos estados de polarización de FeFETs 4 nm ZrO₂ sometidos a RTA a 350, 450 y 500 °C. La captura de carga lleva a reducción de dispositivos con el tiempo. Como muestra Fig. 8b, el rendimiento retención de los dispositivos puede mejorarse con el aumento de temperatura RTA. Una MW de ~0,46 V se extrapola mantenerse durante 10 años. La Figura 9 compara las características retención de FeFETs con diferentes espesores ZrO₂. El dispositivo 4 nm ZrO₂ tiene rendimiento retención mejorado comparado con transistores con 2,5 y 9 nm de espesor ZrO₂.

Conclusiones

En resumen, capacitores ferroeléctricos ZrO₂ amorfos se demuestran experimentalmente, y se especula que la ferroeléctricidad se debe a la migración de dipolos impulsados por voltaje formados por vacancias oxígeno y cargas negativas. FeFETs con 2,5 nm, 4 nm y 9 nm ZrO₂ tienen MW superior a 1 V con pulsos P/E de 1 μs. Las características mejoradas de fatiga y retención se obtienen en FeFET ZrO₂ de 4 nm de espesor en comparación con dispositivos con 2,5 nm y 9 nm ZrO₂. La prueba retención indica que el transistor 4 nm ZrO₂ mantiene una MW extrapolada a 10 años de ~0,46 V.