FeFET Nanokristal-Terinsulasi: Gerbang Ferroelektrik Ultra Tipis untuk Logika Tegangan Rendah dan Memori Non-Volabel Kuat
Abstrak
Kami memperkenalkan transistor efek lapangan ferroelektrik (FeFET) baru yang menggabungkan teknologi insulator-terbenam-nanokristal (NEI), yang memungkinkan tumpukan gerbang ferroelektrik/dielektrik (FE/DE) yang sangat tipis dan terpadu. Arsitektur ini memberikan operasi logika tegangan rendah dan jendela memori non-volabel (NVM) yang melebihi 1 V, bahkan dengan total ketebalan FE/DE hanya 3,6 nm. Perilaku ferroelektrik nanokristal ZrO₂ ortorombik yang terdisperdi dalam matriks Al₂O₃ amorf dikonfirmasi melalui histeresis tegangan-polarisasi, mikroskopi gaya respons piezoelektrik, dan karakterisasi listrik. Kami juga menguji dependensi suhu dan daya tahan NCFET berbasis NEI, menunjukkan operasi stabil di seluruh rentang suhu yang luas dan daya tahan yang kuat lebih dari 1.000 siklus DC.
Latar Belakang
FeFET telah muncul sebagai kandidat yang menjanjikan untuk sirkuit terintegrasi generasi berikut karena efek kapasitansi negatif (NC) yang inherentnya, yang memungkinkan ambang bawah sub-60 mV/dekade dan tegangan suplai yang lebih rendah. Kemajuan terbaru difokuskan pada HfO₂ dotasi, yang menawarkan kompatibilitas CMOS yang baik dan skalabilitas ketebalan. Namun, skalabilitas lebih lanjut dari lapisan ferroelektrik terbatas oleh arus kebocoran, yang membatasi desain FinFET. Terinspirasi oleh konsep MOS nanokristal, kami menempatkan nanokristal ferroelektrik dalam dielektrik bercelas tinggi untuk membentuk FeFET NEI. Desain ini mencapai tumpukan FE/DE yang sangat tipis yang memenuhi persyaratan kebocoran yang ketat sambil mempertahankan kopling ferroelektrik yang kuat.
a Langkah proses kunci untuk pembuatan FeFET NEI. b Skema 3-D perangkat yang selesai.
Dalam karya ini, kami melaporkan FeFET NEI, rinci properti fisik lapisan NEI pada berbagai ketebalan, dan mengevaluasi kinerja listriknya untuk aplikasi logika tegangan rendah dan NVM.
Metode
Urutan pembuatan dimulai dengan wafer Ge(001) tipe n empat inci (0,088–0,14 Ω cm). Setelah pembersihan celupan HF, wafer dipindahkan ke ruang ALD di mana nanokristal ZrO₂ dimasukkan ke dalam matriks Al₂O₃ amorf, membentuk lapisan NEI. Film NEI dengan ketebalan 2,1 nm dan 3,6 nm dihasilkan. Gerbang TaN di-depoosikan melalui penyemprotan reaktif, diikuti dengan pola gerbang, implanasi sumber/saluran (BF₂⁺, 20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), depoosian kontak Ni, dan aneling termal cepat (RTA) akhir. Referensi MOSFET dengan gerbang Al₂O₃ murni juga dibuat untuk perbandingan.
Gambar 1b menunjukkan potongan lintang perangkat: nanokristal ferroelektrik sepenuhnya terkemas dalam dielektrik, menyediakan permitivitas (κ) yang tinggi dan medan paksa (E_c) yang besar. Fraksi volume kecil ZrO₂ (< 0,5 %) cukup untuk menginduksikan ferroelektrik sambil menjaga kebocoran rendah.
a Citra XTEM tumpukan FeFET NEI. b dan c Tampilan potongan lintang untuk lapisan NEI 3,6-nm dan 2,1-nm.
HRTEM resolusi tinggi mengonfirmasi nanokristal ZrO₂ ortorombik (111) dengan jarak interplanar 0,173 nm. Pengukuran tegangan-polarisasi (P-V) dan mikroskopi gaya respons piezoelektrik (PFM) mengungkapkan perpindahan ferroelektrik, dengan polarisasi sisa (P_r) meningkat dengan ketebalan film dan menurun di atas 550 °C karena relaksasi termal.
Citra HRTEM lapisan NEI 3,6-nm dan 6-nm. Sisipan menunjukkan d = 0,173 nm, mengonfirmasi fasa o-ZrO₂(111).
a–c Loop P-V untuk kapasitor NEI 3,6-nm, 6-nm, dan 10-nm. Loop kurang terpronis untuk film yang lebih tipis, dan aneling di atas 550 °C mengurangi ferroelektrik.
a–c Citra amplitudo dan fase PFM untuk film NEI 3,6-nm, 6-nm, dan 10-nm.
a–c PFM kontras fase yang menunjukkan status polaritas yang dapat dibalik dalam film NEI.
Hasil dan Pembahasan
Performa NEI NCFET
Gambar 7a menunjukkan karakteristik I_DS–V_GS dari NCFET NEI 3,6-nm yang dianneal pada 450 °C dan 500 °C. Keduanya menunjukkan histeresis minimal, mengonfirmasi kopling yang baik antara kapasitansi ferroelektrik dan MOS. Loop I-V searah jam mengonfirmasi efek kapasitansi negatif bukan penangkap muatan. Kebocoran gerbang tetap rendah, menunjukkan bahwa nanokristal yang tertanam tidak memperkenalkan jalur kebocoran tambahan.
a Kurva I_DS–V_GS dan I_G–V_GS untuk NCFET NEI pada 450 °C dan 500 °C. b SS sub-60 mV/dekade dicapai pada V_DS = −0,05 V. c Lacak I_DS–V_DS mengungkapkan resistensi diferensial negatif (NDR) yang terkait dengan perpindahan ferroelektrik; perangkat 500 °C menunjukkan I_DS sebesar 29 % lebih tinggi pada 1 V dibandingkan perangkat 450 °C.
Membandingkan NCFET NEI 3,6-nm dengan referensi MOSFET dengan ketebalan insulator gerbang yang sama (2,1 nm), NCFET menunjukkan SS yang lebih tajam dan I_DS sebesar 16 % lebih tinggi pada V_DS = 1 V. Efek NDR lebih terpronis pada perangkat 3,6-nm yang lebih tebal, konsisten dengan kopling ferroelektrik yang lebih kuat.
a Kurva I_DS–V_GS untuk NCFET NEI 2,1-nm dan MOSFET Al₂O₃ murni. Sisipan menunjukkan SS yang lebih tajam hingga ambang. b Lacak I_DS–V_DS yang menyoroti NDR dalam NCFET; perangkat 2,1-nm meningkatkan I_DS sebesar 16 % dibandingkan MOSFET.
Uji dependensi suhu (10 °C–30 °C) mengungkapkan bahwa SS NCFET tetap tidak berubah, sementara kurva I_DS–V_GS beralih ke tegangan gerbang yang lebih negatif seiring kenaikan suhu—tanda tangan dari aktivitas ferroelektrik yang ditingkatkan. V_GS maju juga bergerak negatif dengan suhu, kemungkinan mencerminkan peningkatan E_c.
a Kurva I_DS–V_GS pada 10 °C dan 30 °C, dengan sisipan yang menunjukkan puncak SS. b Statistik histeresis dan V_GS maju pada I_DS = 10⁻⁷ A/μm, yang mengilustrasikan pergeseran negatif dengan suhu.
NEI FeFET sebagai Memori Non-Volabel
Memperpanjang rentang sapuan V_GS meningkatkan jendela memori (MW). FeFET NEI 3,6-nm memberikan MW sebesar 1,14 V saat menyapu antara +1 V dan –2 V, peningkatan yang signifikan dibandingkan jendela 0,2 V pada sapuan ±0,1 V. Uji daya tahan lebih dari 1.000 siklus DC menunjukkan jendela histeresis stabil sekitar 0,65 V, menekankan keandalan lapisan ferroelektrik.
MW besar (1,14 V) diamati untuk FeFET NEI 3,6-nm di bawah sapuan ±1 V/–2 V.
a Kurva I_DS–V_GS setelah 1.000 sapuan DC. b Plot daya tahan yang menunjukkan MW stabil selama jumlah siklus.
Benchmarking terhadap FeFET yang diterbitkan (MW vs. ketebalan FE) menunjukkan bahwa perangkat NEI mencapai jendela >1 V dengan lapisan ferroelektrik teripis yang pernah dilaporkan (3,6 nm). Performa unggul ini mungkin timbul dari fasa ortorombik yang stabil dalam nanokristal, yang tetap kuat pada ketebalan yang dikurangi.
Perbandingan MW dan ketebalan FE di seluruh FeFET yang dilaporkan; perangkat NEI menetapkan rekor baru dengan lapisan FE teripis.
Akhirnya, arsitektur NEI menawarkan kemampuan penyesuaian: P_r dapat disesuaikan dengan memvariasikan volume nanokristal, sementara κ dapat ditingkatkan dengan memasukkan elemen ber-κ tinggi ke dalam matriks amorf (misalnya, LaAlO₃). Dibandingkan HfO₂ dotasi, NEI mencapai medan paksa yang sebanding dengan polarisasi sisa yang jauh lebih rendah, mengurangi kehilangan depolarisasi dan meningkatkan retensi.
Benchmark NEI versus film HfO₂ dotasi: NEI menunjukkan P_r lebih rendah sambil mempertahankan E_c yang serupa.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa penanaman nanokristal ZrO₂ sub-nanometer dalam matriks Al₂O₃ amorf menghasilkan tumpukan gerbang ferroelektrik yang mendukung baik logika kapasitansi negatif maupun memori non-volabel stabil. FeFET NEI 3,6-nm memberikan jendela memori yang melebihi 1 V dan mempertahankan perilaku NC yang kuat di seluruh rentang suhu yang luas. Skalabilitas dan kebocoran rendah arsitektur ini menjadikannya jalur yang menjanjikan menuju FinFET sepenuhnya kompatibel CMOS dengan lapisan ferroelektrik ultra tipis.
