Transistor Efek Medan Ferroelektrik ZrO2 Diaktifkan oleh Dipol Kekosongan Oksigen yang Dapat Dialihkan

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 menunjukkan P vs. tegangan (V ) kurva untuk TaN/ZrO₂ /Ge kapasitor dengan ZrO berbeda₂ ketebalan dan suhu anil yang berbeda. Garis solid dengan warna berbeda mewakili loop kecil dengan berbagai rentang tegangan sapuan (V _rentang ). Frekuensi pengukuran adalah 1 kHz. ZrO 2,5 nm dan 4 nm₂ perangkat dapat menunjukkan feroelektrik yang stabil setelah RTA pada 350 °C. Gambar 3 memplot sisa P (P _r ) sebagai fungsi dari penyapuan V kurva rentang untuk kapasitor yang dianil pada berbagai suhu.

Diukur P vs. V karakteristik TaN/ZrO₂ /Ge kapasitor dengan ZrO berbeda₂ ketebalan dan berbagai suhu anil

Perbandingan P _maks sebagai fungsi dari V _rentang untuk TaN/ZrO₂ /Ge kapasitor dengan ZrO berbeda₂ ketebalan dan berbagai suhu anil

Gambar 3 menunjukkan perbandingan P _maks sebagai fungsi dari V _rentang untuk TaN/ZrO₂ /Ge kapasitor dengan ZrO berbeda₂ ketebalan dan berbagai suhu RTA. Untuk ZrO 4 nm₂ perangkat, saat suhu anil meningkat dari 350 menjadi 450 °C, V . yang lebih besar _rentang diperlukan untuk mendapatkan P . tetap _maks . Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa suhu annealing yang lebih tinggi menghasilkan lapisan antarmuka (ILs) yang lebih tebal antara pada Ge/ZrO₂ dan ZrO₂ /TaN antarmuka, yang mengarah ke ketebalan setara kapasitansi terpadu yang lebih besar (CET). Untuk ZrO 2,5 nm₂ kapasitor, sampel dengan anil 500 °C memiliki nilai V . yang lebih rendah _rentang daripada sampel anil 350 °C dengan P . yang sama _maks . Meskipun IL menjadi lebih tebal dengan meningkatnya suhu RTA, beberapa ZrO₂ dikonsumsi oleh pemulungan oksigen dan interdifusi pada antarmuka. Untuk ZrO yang sangat tipis₂ perangkat, yang terakhir dominan. Dibandingkan dengan ZrO 2,5 nm₂ kapasitor, yang jauh lebih besar V _rentang diperlukan untuk mencapai P . yang serupa _maks . Namun, 9 nm ZrO₂ kapasitor tidak menunjukkan V . yang lebih tinggi _rentang dibandingkan dengan perangkat 4 nm. Ini karena kristal ZrO₂ yang memiliki κ . yang jauh lebih tinggi nilai daripada film amorf, yang secara signifikan mengurangi CET perangkat 9 nm.

Gambar 4a menunjukkan evolusi yang diekstraksi dari P positive positif dan negatif _r , dilambangkan dengan \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \)dan \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), masing-masing, untuk 4 nm- ZrO tebal₂ kapasitor dengan RTA pada suhu berbeda di atas 10 ⁶ siklus menyapu diukur pada 1 kHz. Perangkat yang dianil pada 350 °C dan 450 °C menunjukkan efek bangun yang jelas. Tidak ada bangun atau jejak yang diamati untuk 4 nm ZrO₂ kapasitor feroelektrik mengalami annealing pada suhu 500 °C. Gambar 4b membandingkan P _r sebagai fungsi siklus menyapu untuk perangkat dengan ZrO₂ yang berbeda ketebalan. ZrO 4 nm₂ kapasitor feroelektrik mencapai peningkatan stabilitas P _r daya tahan dibandingkan dengan perangkat 2.5 nm dan 9 nm selama 10 ⁶ tes daya tahan.

a P _r vs. jumlah siklus sapuan ms-pulsa untuk 4 nm ZrO₂ kapasitor dengan suhu RTA yang berbeda. b P _r vs. jumlah siklus sapuan ms-pulse untuk ZrO₂ kapasitor setelah anil pada 500 °C

Pergantian P diamati pada ZrO amorf₂ kapasitansi, dan disimpulkan bahwa mekanismenya harus berbeda dari poli-HfO₂ yang dilaporkan doping. film feroelektrik. Kami mengusulkan bahwa mekanisme yang mendasari perilaku feroelektrik terkait dengan dipol kekosongan oksigen. Telah diketahui dengan baik bahwa, ketika logam TaN diendapkan, lapisan pemulung oksigen Ta akan meningkatkan konsentrasi kekosongan oksigen di dalam ZrO₂ [10]. Lowongan oksigen juga muncul di ZrO₂ /Ge antarmuka. Gambar 5 menunjukkan skema dari switchable P di TaN/ZrO₂ /Ge berasal dari migrasi kekosongan oksigen dan muatan negatif membentuk dipol positif dan negatif. Diperkirakan bahwa muatan negatif di ZrO₂ terkait dengan lowongan Zr [11], yang mirip dengan yang ada di Al₂ O₃ film [12]. Migrasi kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan telah banyak ditunjukkan dalam perangkat memori akses acak resistif [13, 14]. Khususnya, ini adalah demonstrasi pertama transistor non-volatil tiga terminal yang didominasi oleh kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan.

Skema mekanisme untuk P . yang dapat dialihkan di ZrO₂ kapasitor, yang dikaitkan dengan migrasi kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan dan muatan negatif untuk membentuk dipol

P-V histeresis mengaktifkan ZrO₂ FeFET untuk mendapatkan MW yang besar dan stabil untuk aplikasi NVM (eNVM) tertanam. Gambar 6 menunjukkan pengukuran I _DS -V _GS kurva 2,5, 4, dan 9 nm ZrO₂ FeFET untuk dua status polarisasi dengan kondisi program/hapus (P/E) 1 . Transistor dianil pada 500 °C. Operasi program (penghapusan) dicapai dengan menerapkan pulsa tegangan positif (negatif) ke gerbang ZrO₂ FeFET, untuk menaikkan (menurunkan) tegangan ambang (V _TH ). V _TH didefinisikan sebagai V _GS pada 100 nA·W/L, dan MW didefinisikan sebagai perubahan maksimum dalam V _TH . Semua FeFET dengan berbagai ZrO₂ ketebalan memiliki MW di atas 1 V dengan 1 μs P/E pulsa. Untuk mencapai MW yang serupa, diperlukan tegangan hapus yang lebih tinggi untuk ZrO 9 nm₂ FeFET dibandingkan dengan dua transistor lainnya. Terlihat bahwa magnitudo yang lebih besar menghapus V _GS diperlukan untuk mendapatkan pergeseran yang kira-kira sama dari I-V relatif terhadap kurva awal dibandingkan dengan program V _GS . Diperkirakan bahwa kekosongan oksigen berkontribusi pada P terutama berasal dari reaksi antara TaN dan ZrO₂ , seperti keadaan awal perangkat pada Gambar. 5a. Sebagai V positive yang positif _GS (program) diterapkan, kekosongan oksigen menyebar dan menumpuk di lapisan dekat ZrO₂ /Ge antarmuka (Gbr. 5b), di mana distribusi dipol kekosongan oksigen cukup berbeda dari keadaan awal. Jadi mudah untuk menggeser I-V kurva ke yang lebih tinggi |V _TH | dengan V positive yang positif _GS . Namun, sebagai V negative negatif _GS (penghapusan) diterapkan, difusi kembali kekosongan oksigen membawa tumpukan gerbang kembali ke keadaan semula (Gbr. 5c). Jadi besarnya penghapusan negatif V _GS harus ditingkatkan untuk mencapai pergeseran setara I-V ke program positif V _GS .

Mengukur I _DS -V _GS kurva ZrO setebal 2,5, 4, dan 9 nm₂ FeFET untuk keadaan polarisasi awal dan dua dengan pulsa P/E 1 μs

Saat lebar pulsa P/E dikurangi menjadi 100 ns, ZrO₂ FeFET masih menunjukkan UM yang layak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Terutama transistor dengan 2.5 nm ZrO₂ anil pada 350 °C mencapai MW 0,28 V Gambar 7b memplot MW vs nomor siklus untuk FeFET dengan berbagai ZrO₂ ketebalan dengan kondisi pulsa 100 ns P/E. ZrO 4 nm₂ perangkat mencapai kinerja daya tahan yang ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan ZrO 2,5 nm dan 9 nm₂ FeFET, yang menunjukkan efek bangun yang jelas dan kelelahan dalam 10 ³ siklus.

a Aku _DS -V _GS kurva ZrO setebal 2,5, 4, dan 9 nm₂ FeFET untuk dua status polarisasi dengan pulsa P/E 100 ns. Perangkat menjalani RTA pada 500 °C. b FeFET dengan 4 nm ZrO₂ memiliki ketahanan yang lebih baik dibandingkan dengan ZrO 2,5 dan 9 nm₂ transistor

Terakhir, pengujian retensi ZrO₂ FeFET dicirikan dan ditunjukkan pada Gambar. 8 dan 9. Gambar 8 a menunjukkan evolusi I _DS -V _GS kurva untuk dua keadaan polarisasi dari 4 nm ZrO₂ FeFETs menjalani RTA pada 350, 450, dan 500 °C. Jebakan muatan mengarah pada pengurangan perangkat seiring waktu. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8b, kinerja retensi perangkat dapat ditingkatkan dengan peningkatan suhu RTA. Sebuah MW dari ~ 0,46 V diekstrapolasi untuk dipertahankan selama 10 tahun. Gambar 9 membandingkan karakteristik retensi FeFET dengan ZrO₂ yang berbeda ketebalan. ZrO 4 nm₂ perangkat memiliki kinerja retensi yang lebih baik dibandingkan dengan transistor dengan ZrO setebal 2,5 dan 9 nm₂ .

a Evolusi I _DS -V _GS kurva untuk dua keadaan polarisasi dari 4 nm ZrO₂ FeFET dengan suhu RTA berbeda. b ZrO 4 nm₂ perangkat anil pada 500 °C memiliki kinerja retensi yang jauh lebih baik dibandingkan dengan transistor dengan RTA pada suhu yang lebih rendah

a Evolusi I _DS -V _GS kurva untuk dua keadaan polarisasi untuk ZrO setebal 2,5, 4, dan 9 nm₂ FeFET menjalani RTA pada 500 °C. b ZrO 4 nm₂ perangkat memiliki kinerja retensi yang lebih baik dibandingkan dengan transistor dengan ZrO setebal 2,5 dan 9 nm₂