Transistor Memori Ferroelektrik 2D MoS2 Pengoperasian Tegangan Rendah dengan Struktur Gerbang Hf1-xZrxO2

Hasil dan Diskusi

Kami menyiapkan beberapa lapisan MoS₂ dengan pengelupasan mekanis kristal curah dan mentransfer MoS₂ nanoflake ke 2 nm Al₂ O₃ /6 nm HZO/p ⁺ Si substrat (lihat detail lebih lanjut di bagian "Eksperimental"). Gambar 1a dan b menampilkan tampilan skema 3D dan penampang HZO/MoS₂ struktur FeFET, masing-masing. Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) tampilan atas dari HZO/MoS₂ FeFET ditunjukkan pada Gambar. 1c. Lebar dan panjang MoS₂ saluran adalah 2 μm dan 12 μm, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, ketebalan MoS₂ saluran dikonfirmasi menggunakan mikroskop kekuatan atom (AFM). Ketebalan terukur 1,57 nm menunjukkan adanya 4 lapisan MoS₂ [26].

Struktur perangkat dan properti dasar MoS₂ /HZO FeFET. a Representasi skema tiga dimensi dari MoS₂ /HZO FeFET. b Penampang melintang skema MoS₂ /HZO FeFET. c Gambar SEM tampilan atas dari MoS yang dibuat₂ /HZO FeFET dengan elektroda sumber/penguras Ti/Au, isolator gerbang feroelektrik HZO, dan MoS₂ saluran. d Profil ketinggian menggunakan AFM mode kontak di sepanjang garis merah di c , memvalidasi ketinggian MoS₂ saluran.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. S1c dan d, komposisi unsur dan ikatan HZO diperiksa dengan pengukuran fotoelektron sinar-X (XPS). Puncak ditemukan 19.05 eV, 17.6 eV, 185.5 eV, dan 183.2 eV, yang sesuai dengan Hf 4f_5/2 , Hf 4f_7/2 , Zr 3d_3/2 , dan Zr 3d_5/2 , masing-masing [27]. Konsentrasi atom di sepanjang profil kedalaman pada Gambar. S1e selanjutnya menegaskan distribusi Al₂ O₃ /HZO/p ⁺ Si struktur tiga lapis. Semua hal di atas mengkonfirmasi bahwa film HZO yang tumbuh melalui sistem deposisi lapisan atom (ALD) kami sangat kristal.

Sebelum menyelidiki karakterisasi HZO/MoS₂ FeFET, perilaku feroelektrik Au/2 nm Al₂ O₃ /6 nm HZO/p ⁺ Tumpukan gerbang Si menggunakan pengukuran tegangan polarisasi ditunjukkan pada Gambar 2a. Jelas, 6 nm HZO/2 nm Al₂ . buatan kami O₃ kapasitor menunjukkan loop histeresis tegangan polarisasi (diukur pada 1 kHz). Sementara itu, sisa polarisasi P _r dan tegangan koersif V _c meningkat dengan meningkatkan tegangan sapuan maksimum, menyiratkan P-V loop histeresis berubah dari loop minor ke loop mayor. Saat tegangan sapuan maksimum meningkat dari 2 menjadi 4 V, P _r mencapai 0,66 μC/cm ² , 0,86 μC/cm ² , dan 1,1 μC/cm ² , masing-masing dan V _c mencapai 1,12 V, 1,9 V, dan 2,04 V, masing-masing. Diekstrak P _r dan V _c dalam 10 ⁵ siklus menyapu DC abadi ditunjukkan pada Gambar. 2b dan c. Jelas, efek bangun dan kelelahan yang signifikan dalam 10 ⁵ siklus diamati pada 6 nm HZO/2 nm Al₂ O₃ kapasitor. Bangun dan kelelahan dapat dikaitkan dengan difusi dan redistribusi kekosongan oksigen di bawah medan listrik. Efek kelelahan umumnya terkait dengan perangkap muatan di situs cacat yang terkait dengan kekosongan oksigen [28]. Perilaku histeresis untuk PRfase dan lingkaran berbentuk kupu-kupu untuk PRampl menggunakan mikroskop piezoresponse force (PFM) ditampilkan pada Gambar. S1b dan c, menunjukkan switching polarisasi sebagai fungsi dari tegangan bias sapuan. Mempertimbangkan resistensi kontak yang berbeda antara pengukuran tegangan polarisasi dan pengukuran tegangan respons piezo, pengukuran V _c pada Gambar. S1b dan c tidak begitu konsisten dengan nilai yang diperoleh pada Gambar. 2a.

a Loop histeresis P-V untuk HZO (6 nm)/Al₂ O₃ (2 nm) kapasitor dengan rentang tegangan yang berbeda. Ketergantungan (b ) P _r dan c V _c bersepeda untuk HZO (6 nm)/Al₂ O₃ (2 nm) kapasitor dengan siklus ± 4 V/1 kHz

Selain itu, diamati bahwa ada peningkatan MW disertai dengan peningkatan rentang tegangan sapuan tegangan gerbang (V _GS,rentang ). Biasanya, film HZO poli-kristal ada sebagai status multi-domain [29], dan distribusi medan koersif dari domain ini memenuhi distribusi Gaussian. Jadi, harus ada peningkatan ketergantungan pada peningkatan V _GS,rentang . Paksaan diajukan E _C sesuai dengan nilai medan listrik eksternal yang dapat mengurangi polarisasi remanen menjadi nol. Oleh karena itu, V _GS ,_rentang digunakan untuk mengubah polarisasi dalam film HZO menjadi lebih besar dengan tegangan koersif terkait yang lebih tinggi V _C . Inilah alasan mengapa loop tegangan polarisasi film HZO diperpanjang dengan V yang lebih besar _GS,rentang , yang telah ditunjukkan pada Gambar. 2a. Dengan kata lain, peningkatan intensitas polarisasi dan peralihan feroelektrik terjadi dengan peningkatan V _GS,rentang , yang mengarah ke fenomena yang disebutkan di atas dari MW yang diperpanjang berlawanan arah jarum jam yang dihasilkan oleh peningkatan V _GS,rentang . Di V _GS,rentang =(−2, 2 V), MW hampir hilang dan karakteristik hampir bebas histeresis muncul, yang berarti kompensasi yang hampir lengkap antara efek peralihan feroelektrik dan perangkap/penghilangan muatan.

Untuk menyelidiki lebih lanjut efek peralihan feroelektrik, V _GS,rentang telah terus ditingkatkan menjadi (−6, 6 V) dan (−6.5, 6.5 V). I . yang terukur _DS -V _GS kurva HZO MoS₂ FeFET di V _GS,rentang =(−6, 6 V), dan (−6.5, 6.5 V) ditunjukkan pada Gambar 3a. Demikian pula, jendela memori berlawanan arah jarum jam ditingkatkan dengan perpanjangan V _GS,rentang . Di V _GS,rentang =(−6,5, 6,5 V), MW berlawanan arah jarum jam di atas 4 V dan rasio hidup/mati juga meningkat menjadi 10 ⁷ , yang disebabkan oleh peningkatan polarisasi switching di bawah tegangan eksternal yang lebih besar. Umumnya, mekanisme yang mendasari perilaku histeresis yang ditunjukkan dalam I _DS -V _GS kurva selama penyapuan dua arah V _GS adalah pergeseran tegangan ambang, yang dapat dimodifikasi oleh efek dominan dari switching polarisasi, yaitu efek NC [30,31,32], menghasilkan histeresis berlawanan arah jarum jam. Sebuah studi lebih lanjut dari karakteristik subthreshold ditingkatkan dilakukan di perangkat lain di bawah V yang menyusut _GS,rentang . I . yang terukur _DS -V _GS dan mengekstrak titik SS—I _DS kurva perangkat lain di V _GS,rentang =(−3, 3 V) diplot pada Gambar 3b. Hal ini menunjukkan bahwa di V _GS,rentang =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET memamerkan SS_Untuk =51,2 mV/dekade dan SS_Rev =66,5 mV/dekade, masing-masing. Artinya, SS sub-60 mV/dekade dan MW 0,48 V dapat dicapai secara bersamaan di HZO/MoS₂ FeFET pada suhu kamar, yang akan menjadi petunjuk untuk membedakan antara NCFET dan FeFET.

Tes arus searah (DC) dari HZO/MoS₂ FeFET saat menguras tegangan (V _DS ) adalah 0,5 V. a Perbandingan antara kurva transfer dengan tegangan 6 V dan 6,5 V sebagai tegangan balik maksimum. b Tampilan kurva transfer yang diperbesar pada interval 0 hingga 2 V V _GS,rentang =(−3, 3 V). Titik subthreshold slope (SS) sebagai fungsi dari arus drain (I _DS ) dari HZO/MoS₂ FeFET adalah (b ) sisipan. Perangkat menunjukkan SS_Untuk =51,2 mV/des

Seperti diketahui, di NCFET, SS bisa lebih kecil dari 60 mV/dekade pada suhu kamar karena penggabungan kapasitansi dielektrik gerbang negatif (C _masuk ), yang dapat diperoleh melalui segmen kemiringan negatif dari dP /dE <0 diinduksi oleh film feroelektrik, berkontribusi pada faktor tumpukan gerbang (m) <1. Mekanisme yang mendasari efek NC [33] adalah medan depolarisasi yang dihasilkan oleh film feroelektrik [34,35,36,37,38]. Dilaporkan secara eksperimental bahwa karena penyaringan yang tidak lengkap pada antarmuka film feroelektrik [39], muatan polarisasi sisa dapat menghasilkan medan listrik internal melintasi film feroelektrik, yang memiliki arah yang berlawanan dengan tegangan yang diterapkan secara eksternal, yang mengarah ke re- distribusi tegangan melintasi tumpukan gerbang dan potensial permukaan saluran yang diperkuat, disebut sebagai "efek amplifikasi tegangan" [40,41,42]. Amplifikasi tegangan biasanya dapat dibagi menjadi dua bagian, variasi percepatan potensial permukaan saluran dan nilai dorongan berikutnya, memberikan peralihan ON/OFF yang curam dan peningkatan I _AKTIF /Aku _MATI , masing-masing. Namun, untuk FeFET, ada cerita lain. Menurut konsep pencocokan kapasitansi antara kapasitansi feroelektrik (C _FE ) dan kapasitansi semikonduktor oksida logam (C _MOS ) [43,44,45], ketika |C _FE |> C _MOS , kapasitansi total teoritis (C _jumlah ) positif dan sistem stabil, menghasilkan perilaku polarisasi yang sama selama penyapuan dua arah V _GS dan NCFET bebas histeresis yang stabil. Namun, pencocokan yang baik yang menghasilkan peningkatan SS dan transkonduktansi sangat sulit untuk dicapai, karena keduanya C _MOS dan C _FE sangat non-linear, kapasitor tergantung bias. Selain itu, |C _FE |> C _MOS perlu dipastikan untuk semua rentang tegangan operasi untuk menghindari histeresis. Sebaliknya, sekali |C _FE | C _MOS , teori C _jumlah negatif dan sistem tidak stabil, perilaku polarisasi terpisah harus terjadi selama bi-switching V _GS untuk menjaga C _jumlah positif, yang dapat menghasilkan histeresis berlawanan arah jarum jam di FeFET untuk aplikasi NVM. Di sini disebutkan bahwa perilaku histeresis adalah efek lanjutan dari switching polarisasi terpisah, yang berarti bahwa lebar jendela histeresis dapat dengan mudah dimodifikasi berdasarkan konsep pencocokan kapasitansi, seperti, yang dapat dimanipulasi dengan variasi V _DS . Dengan pencocokan kapasitansi yang sesuai, bahkan dengan V . yang jauh lebih kecil _GS,rentang =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET masih menunjukkan jendela histeresis yang jelas, dan peralihan tajam dari SS_For =51,2 mV/des pada saat yang sama, yang selanjutnya menunjukkan adanya efek NC (efek polarisasi feroelektrik) di wilayah subthreshold juga. Meskipun NCFET dan FeFET berbeda, FeFET juga dapat diadopsi sebagai perangkat logika dengan MW yang lebih kecil yang sebanding, mempertahankan kedalaman sub-60 mV/SS, dan I yang lebih tinggi _AKTIF /Aku _MATI rasio juga karena efek NC.

Dampak dari V _DS pada lebar MW telah diselidiki dengan cermat. Aku _DS -V _GS kurva pada skala logaritmik di bawah V . yang berbeda _DS dicirikan pada Gambar. S3. Diperlihatkan bahwa, pada V . tetap _GS,rentang =(−2, 2 V), nilai dari V _GS diekstraksi di I _DS =70 nA untuk sapuan dua arah V _GS semua bergeser ke arah negatif. Sementara itu, juga ditunjukkan bahwa variasi sapuan ke depan V _GS jauh lebih jelas daripada penyapuan terbalik, yang menunjukkan fenomena signifikan DIBL negatif. Perlu dicatat bahwa efek DIBL negatif selalu terjadi dengan efek NC [46, 47].

Setelah pengujian arus searah (DC) di atas dari HZO/MoS₂ FeFET, kami selanjutnya melakukan pengukuran MW untuk P/E yang berbeda V _GS pulsa dengan lebar 10 ms pada Gambar. 4a. MW didefinisikan sebagai perubahan maksimum V _TH setelah P/E V _GS pulsa. Selama V . berdenyut _GS aplikasi, terminal lainnya diperbaiki ke V _S =V _D =0 V. Untuk operasi baca (R), V _GS berkisar dari 1 V hingga 1 V dengan V _D =0,5 V dan V _S =0 V Seperti ditunjukkan pada Gambar 4a, MW yang diekstraksi menjadi lebih besar jika P/E V _GS pulsa meningkat. Ketika P/E yang dikenakan V _GS pulsa adalah ± 3 V, MW yang diekstraksi adalah 0,1 V. Ketika P/E yang dikenakan V _GS pulsa adalah ± 5,5 V, MW yang diekstraksi adalah 0,275 V. Dibandingkan dengan MW berlawanan arah jarum jam 4 V dan 0,48 V pada Gambar. 3a dan b, MW yang diekstraksi setelah P/E V _GS nadi sangat berkurang. Ini mungkin karena kepadatan yang lebih tinggi dari keadaan perangkap yang disebabkan oleh kelembaban tinggi di udara [48]. Dengan demikian, mekanisme penjebakan/penghilangan muatan ditingkatkan dan loop histeresis berlawanan arah jarum jam akhirnya berkurang. Selanjutnya, kami mempelajari ketahanan bersepeda dan retensi data HZO/MoS₂ FeFET di bawah pulsa P/E dengan tinggi ± 5,5 V pada Gambar 4b. Program V _GS pulsa lebarnya 10 ms dengan V _S =V _D =0 V Gambar 4b mengilustrasikan MW yang diukur sebagai fungsi dari siklus daya tahan. Siklus daya tahan dibentuk oleh pulsa P/R/E/R periodik tegangan gerbang belakang. Tegangan yang diterapkan pada gerbang belakang dengan ketinggian P, E, R berturut-turut adalah + 5,5 V, 5,5 V dan 0 V. Dan lebar pulsa P dan E adalah 10 ms. Jelas, MW sebesar 0,3 V dapat dipertahankan tanpa penurunan yang signifikan setelah 10 ³ siklus P/E. Ketika jumlah siklus daya tahan meningkat, MW meningkat menjadi 0,38 V setelah 10 siklus dan kemudian menurun kembali ke 0,28 V setelah 600 siklus. MW memperluas pertama disebut efek bangun dan MW menyusut kemudian disebut efek kelelahan. Efek bangun sesuai dengan domain-dinding de-pinning, yang mengarah ke peningkatan domain polarisasi switchable dari film HZO [49]. Efek kelelahan sesuai dengan muatan baru yang disuntikkan yang menyematkan dinding domain setelah sejumlah besar siklus P/E [50]. Retensi data pada suhu kamar ditunjukkan pada Gambar. 4c. Di sini, penurunan MW dapat diabaikan setelah 10 ⁴ S. Oleh karena itu, MW sekitar 0,3 V dapat diharapkan berkelanjutan selama 10 tahun dengan garis ekstrapolasi putus-putus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, perangkat stabil setelah 10 ³ siklus di bawah pulsa P/E dengan ketinggian ± 3 V. Stabilitas HZO/MoS₂ FeFET menunjukkan perspektif aplikasi yang luar biasa dalam teknologi memori nonvolatile.

Performa memori HZO/MoS₂ FeFET di bawah pulsa P/E. a MWs (MWs) yang diekstraksi di bawah pulsa P/E dengan ketinggian ± 3 V, ± 4 V, ± 5 V, ± 5.5 V, dan ± 6 V. b Pengukuran daya tahan di bawah kondisi pulsa P/E. c Karakteristik retensi HZO/MoS₂ FeFET. d Ketahanan HZO/MoS₂ FeFET untuk 10 ³ siklus di bawah pulsa P/E dengan ketinggian ± 3 V

Perbandingan figur-of-merit dengan perangkat berbasis FeFET yang menggabungkan MoS₂ dan dielektrik gerbang feroelektrik disediakan pada Tabel 1. Di sini, struktur perangkat, polarisasi sisa, medan listrik koersif, arah loop histeresis, MW, tegangan kerja, siklus daya tahan, dan waktu retensi terdaftar. Jelas bahwa perangkat yang kami buat menunjukkan lapisan feroelektrik tertipis dari 6 nm HZO dan tegangan kerja terendah dibandingkan dengan karya lain [12,13,14,15,16,17,18], yang penting untuk 2 nm masa depan atau node proses 3 nm dari memori back end of line (BEOL). Dengan menskalakan ketebalan lapisan feroelektrik, MW sekitar 0,1 V dicapai di bawah tegangan kerja rendah ± 3 V. Tegangan kerja yang rendah seperti itu dapat dikaitkan dengan karakteristik intrinsik lapisan HZO dibandingkan dengan rekan-rekan mereka, seperti P (VDF-TrFE) atau HfO₂ , yang memiliki ketebalan jauh lebih tinggi. Selain itu, perangkat kami memiliki polarisasi sisa yang lebih rendah P _r dari 1,1 μC/cm ² dibandingkan dengan FeFET lain yang dilaporkan. Peluruhan cepat dari kehilangan retensi dalam FeFET adalah karena adanya medan depolarisasi E _dep , yang berasal dari kompensasi biaya yang tidak lengkap karena adanya Al₂ O₃ lapisan. Di sini, E _dep berbanding lurus dengan polarisasi remanen P _r [51]. Jadi, E . yang tinggi _c dan P . rendah _r buat rasionya E _dep /E _c di MoS₂ /HZO FeFET jauh lebih kecil, menyebabkan kehilangan retensi yang jauh lebih kecil yang terkait dengan efek medan depolarisasi. Meskipun kinerja retensi MoS₂ FeFET berdasarkan HZO dan P(VDF-TrFE) keduanya sekitar 10 ⁴ s, film P(VDF-TrFE) harus berukuran 150 nm [17].