Jendela Memori dan Peningkatan Daya Tahan FeFET Berbasis Hf0.5Zr0.5O2 dengan Lapisan Benih ZrO2 Dicirikan oleh Pengukuran Pulsa Tegangan Cepat
Abstrak
HfO2 - transistor efek medan feroelektrik (FeFET) berbasis dengan tumpukan gerbang logam/ferroelektrik/isolator/semikonduktor (MFIS) saat ini sedang dipertimbangkan sebagai kandidat yang memungkinkan untuk memori non-volatil berdensitas tinggi dan kecepatan tulis cepat. Meskipun kinerja retensi HfO2 FeFET berbasis dengan tumpukan gerbang MFIS dapat memenuhi persyaratan untuk aplikasi praktis, jendela memori (MW) dan keandalannya sehubungan dengan daya tahan harus lebih ditingkatkan. Karya ini menyelidiki keuntungan menggunakan ZrO2 lapisan benih pada MW, retensi, dan daya tahan Hf0,5 Zr0,5 O2 (HZO) berbasis FeFET dengan tumpukan gerbang MFIS, dengan menggunakan pengukuran pulsa tegangan cepat. Ditemukan bahwa FeFET berbasis HZO dengan ZrO2 lapisan benih menunjukkan MW awal dan 10 tahun ekstrapolasi yang lebih besar, serta peningkatan kinerja daya tahan dibandingkan dengan FeFET berbasis HZO tanpa ZrO2 lapisan benih. Hasilnya menunjukkan bahwa penggunaan tumpukan gerbang k/Si kristalin langsung akan lebih meningkatkan MW dan keandalan HfO2 -FeFET berbasis.
Latar Belakang
HfO2 film tipis feroelektrik berbasis dianggap sebagai bahan gerbang-tumpukan yang menjanjikan untuk transistor efek medan feroelektrik (FeFETs) karena kompatibilitas dan skalabilitas logam-oksida-semikonduktor (CMOS) pelengkapnya. Di antara beberapa jenis struktur tumpukan gerbang yang dapat digunakan dalam FeFET, logam/ferroelektrik/isolator/semikonduktor (MFIS) merupakan konfigurasi yang lebih praktis karena mengikuti arsitektur perangkat MOS saat ini dan cocok dengan gerbang logam high-k modern. (HKMG) proses. Oleh karena itu, upaya besar telah dilakukan untuk merancang dan membuat FeFET dengan struktur tumpukan gerbang MFIS untuk aplikasi dalam memori nonvolatil yang tertanam, transistor efek medan kapasitansi negatif, neuron buatan, sinapsis, dan perangkat logika-dalam-memori [1,2,3,4 ,5,6,7,8].
Hingga saat ini, FeFET dengan densitas tinggi dan kecepatan tulis cepat dengan struktur gate stack MFIS telah berhasil dibuat menggunakan proses HKMG [9, 10]. Selain kepadatan integrasi yang tinggi dan kecepatan tulis yang cepat, jendela memori yang besar (MW) dan keandalan yang tinggi sehubungan dengan retensi dan daya tahan juga penting untuk menggunakan FeFET untuk aplikasi memori nonvolatil [11,12,13,14]. Karena offset pita besar ke silikon, medan koersif tinggi dan konstanta dielektrik moderat HfO2 -film tipis feroelektrik berbasis, HfO2 FeFET berbasis dengan struktur tumpukan gerbang MFIS menunjukkan sifat retensi yang andal (ekstrapolasi 10 tahun) [15,16,17]. Namun, meskipun HfO2 film tipis berbasis menunjukkan daya tahan sedang selama 1 × 10
9
beralih siklus [14, 18], HfO2 FeFET berbasis-dengan struktur tumpukan gerbang MFIS memiliki ketahanan yang agak terbatas mulai dari 1 × 10
4
hingga 1 × 10
7
beralih siklus [17, 19,20,21,22,23]. Secara teoritis, penggunaan lapisan isolator k tinggi diharapkan dapat mengurangi medan listrik di MFIS gate stack, yang akan mengurangi pembengkokan pita, sehingga meningkatkan sifat ketahanan dan MW dari HfO2 berbasis FeFET [12, 14]. Secara eksperimental, Ali et al. memverifikasi bahwa peningkatan nilai k dari lapisan isolator ultra tipis (yaitu, menggunakan SiON sebagai ganti SiO2 ) dapat secara efektif meningkatkan sifat ketahanan serta MW dari HfO2 berbasis FeFET [13]. Dalam penelitian kami sebelumnya [24], kami melaporkan bahwa penyisipan kristal ZrO2 lapisan k tinggi pada gate stack MFIS dapat meningkatkan kualitas kristal dan menekan pembentukan fase monoklinik pada Hf0,5 Zr0,5 O2 (HZO) film tipis, yang menghasilkan MW besar 2,8 V yang dicirikan oleh metode penyapuan tegangan DC.
Dalam karya ini, kami melaporkan karakterisasi MW, retensi, dan daya tahan FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa kristal ZrO2 lapisan benih dengan menggunakan pengukuran pulsa tegangan positif dan negatif yang cepat. Selain itu, keuntungan menggunakan kristal ZrO2 lapisan benih pada MW dan sifat ketahanan dibahas.
Metode
FeFET n-channel dengan dan tanpa ZrO2 lapisan benih dibuat menggunakan proses terakhir gerbang, seperti yang dijelaskan dalam [24]. ZrO2 lapisan benih dan lapisan HZO keduanya ditanam pada suhu pertumbuhan 300
o
C dengan deposisi lapisan atom (ALD). Skema FeFET yang dibuat ditunjukkan pada Gambar. 1a, yang lebar salurannya (W ) dan panjang (L ) masing-masing adalah 80 dan 7 μm. Sementara itu, TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO2 /TaN kapasitor juga dibuat untuk mengevaluasi sifat feroelektrik dari film tipis HZO. Polarisasi–tegangan (P–V ) loop histeresis kapasitor diukur menggunakan sistem uji feroelektrik Radiant Technologies RT66A, sedangkan karakteristik perangkat FeFET diukur dengan penganalisis perangkat semikonduktor Agilent B1500A dengan unit generator pulsa (B1525A) [20]. Dua rangkaian uji utama yang digunakan untuk pengukuran MW dan daya tahan ditunjukkan pada Gambar 1b dan c. Untuk pengukuran MW dan retensi, pulsa program/hapus (P/E) pertama kali diterapkan ke gerbang FeFET, dan operasi baca dilakukan pada interval waktu yang berbeda menggunakan ID –VG menyapu (VD = 0.1 V) untuk merasakan VTH . Umumnya, VTH ditentukan sebagai tegangan gerbang yang sesuai dengan arus pembuangan 10
−7
A∙W/L [25], dan MW didefinisikan sebagai selisih VTH nilai antara status terprogram dan terhapus. Untuk pengukuran daya tahan, MW diukur setelah sejumlah pulsa P/E bergantian.
a Skema FeFET yang dibuat. Kristal tambahan ZrO2 lapisan benih ditandai dengan garis-garis hitam. b , c Urutan pengujian yang digunakan untuk pengukuran MW dan daya tahan
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan P–V loop histeresis dari TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO2 /TaN kapasitor. Hebatnya, TaN/HZO/ZrO2 Kapasitor /TaN memiliki sifat feroelektrik yang lebih baik daripada kapasitor TaN/HZO/TaN, yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan [26], yang menunjukkan bahwa kristal ZrO2 lapisan biji memang dapat meningkatkan kualitas kristal dan menekan pembentukan fase monoklinik pada lapisan tipis HZO [24]. Gambar 2b menunjukkan ID –VG kurva FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa ZrO kristal tambahan2 lapisan benih setelah pulsa P/E. Garis simbol merah mewakili ID –VG kurva setelah menerapkan pulsa program 7 V/100 ns, sedangkan garis simbol biru mewakili ID –VG kurva setelah menerapkan pulsa hapus 7 V/100 ns. Orang dapat melihat bahwa ID –VG kurva kedua FeFET menunjukkan karakteristik peralihan berlawanan arah jarum jam, menunjukkan bahwa MW dari FeFET saat ini berasal dari peralihan polarisasi lapisan HZO, daripada perangkap muatan dan injeksi. Namun demikian, FeFET berbasis HZO dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih menunjukkan peningkatan MW 1,4 V, kira-kira 1,8 kali lebih besar dari itu (0,8 V) dari FeFET berbasis HZO tanpa kristal tambahan ZrO2 lapisan benih. Selain itu, MW yang diperoleh sebesar 1,4 V sebanding dengan hasil terbaik yang dilaporkan hingga saat ini [9, 11, 14, 17, 21,22,23, 27].
aP–V loop histeresis dari TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO2 /TaN MFM struktur diukur pada 4 V dan frekuensi 5 kHz. bAkuD –VG kurva FeFET berbasis HZO dengan (w) dan tanpa (w/o) ZrO2 lapisan benih setelah pulsa program (+ 7 V/100 ns) dan pulsa hapus (− 7 V/100 ns)
Keandalan sehubungan dengan retensi FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa ZrO kristal tambahan2 lapisan benih juga dievaluasi. Gambar 3 menunjukkan VTH karakteristik retensi setelah menerapkan pulsa program 7 V/100 ns dan pulsa penghapusan – 7 V/100 ns pada suhu kamar. Jelas bahwa VTH nilai kira-kira linier dengan skala waktu logaritmik. MW yang diekstrapolasi setelah 10 tahun untuk FeFET berbasis HZO dengan kristal tambahan ZrO2 lapisan benih adalah 0,9 V, lebih besar dari itu (0,6 V) untuk FeFET berbasis HZO tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih. Karena tebal ekivalen kapasitansi (CET) dari ZrO2 (1,5 nm)/SiO2 (2.6 nm) lapisan isolator gerbang akan menyebabkan peningkatan medan depolarisasi di tumpukan gerbang [13, 15], peningkatan lebih lanjut dalam sifat retensi dapat diharapkan jika ketebalan SiO2 lapisan berkurang.
Karakteristik retensi FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa ZrO2 lapisan benih
Gambar 4 menunjukkan evolusi ID –VG kurva setelah ± 7 V/100 ns siklus P/E bergantian. Untuk FeFET tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih, pergeseran signifikan dan degradasi lereng di ID –VG kurva diamati dari tahap awal siklus P/E, dan ID –VG kurva di negara bagian yang terhapus menunjukkan lebih banyak degradasi lereng dibandingkan dengan status program. Untuk FeFET dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih, meskipun ID –VG kurva di negara yang terhapus menunjukkan pergeseran positif yang jelas selama tahap awal siklus P/E yang dikaitkan dengan efek "bangun" [13, 28,29,30,31,32], tidak ada pergeseran yang jelas dari I D –VG kurva dalam status program diamati hingga 1 × 10
3
siklus. Selain itu, untuk FeFET dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih, ID –VG kurva dalam status terhapus dan program hanya menunjukkan sedikit penurunan kemiringan hingga 1 × 10
3
siklus.
Evolusi ID –VG kurva FeFET berbasis HZO a tanpa dan b dengan ZrO2 lapisan benih dengan siklus P/E
Menurut laporan sebelumnya [12, 28, 33], pergeseran paralel dalam ID –VG kurva dikaitkan dengan akumulasi bertahap dari muatan yang terperangkap di tumpukan gerbang, sedangkan degradasi kemiringan di ID –VG kurva adalah hasil dari generasi perangkap antarmuka. Karena muatan yang terperangkap dapat dihilangkan dengan cara listrik, tetapi pembangkitan perangkap antarmuka tidak dapat diubah, meminimalkan generasi perangkap antarmuka sangat penting untuk meningkatkan sifat daya tahan [28]. Perangkap antarmuka yang dihasilkan oleh siklus P/E (ΔNitu ) dapat dijelaskan dengan menggunakan Persamaan. (1) [34, 35]:
di mana SS adalah perubahan ayunan subthreshold, k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu mutlak, CFI adalah kapasitansi total dari tumpukan gerbang, dan ∅B adalah potensial Fermi. Nitu sebagai fungsi dari siklus P/E untuk FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih ditunjukkan pada Gambar. 5. Jelas, untuk FeFET tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih, Nitu meningkat jelas dari tahap awal siklus P/E, dan Nitu di negara-negara terhapus jauh lebih besar daripada di negara-negara program. Namun, Nitu untuk FeFET dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih hampir tidak berubah hingga 1 × 10
3
siklus, dan selalu lebih kecil dari itu untuk FeFET tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih. Karena memasukkan ZrO2 tambahan lapisan benih mengurangi medan listrik di tumpukan gerbang dan dengan demikian pita lentur lebih lemah, generasi perangkap antarmuka dikurangi [12, 14].
Evolusi Nitu dengan bersepeda P/E
Gambar 6 menunjukkan evolusi karakteristik arus bocor gerbang (IG –VG kurva) dari FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa ZrO2 lapisan benih dengan siklus P/E. Untuk FeFET tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih, arus bocor gerbang meningkat secara dramatis dari tahap awal siklus P/E. Namun, arus bocor gerbang untuk FeFET dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih hampir tidak berubah hingga 5 × 10
2
siklus, dan selalu lebih kecil dari itu untuk FeFET tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih. Dilaporkan bahwa peningkatan arus bocor gerbang mungkin terkait dengan perangkap antarmuka yang dihasilkan [28]. Pengurangan arus bocor gerbang dengan siklus untuk FeFET dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih akan dikaitkan dengan penekanan generasi perangkap antarmuka.
Evolusi karakteristik arus bocor gerbang (IG –VG kurva) dari FeFET berbasis HZO a tanpa dan b dengan ZrO2 lapisan benih dengan siklus P/E
VTH nilai untuk program dan menghapus status yang diekstrak dari ID –VG kurva FeFET berbasis HZO dengan dan tanpa ZrO kristal tambahan2 lapisan benih ditunjukkan pada Gambar. 7. FeFET berbasis HZO dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih selalu menunjukkan MW yang lebih besar daripada FeFET berbasis HZO tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih. Selain itu, MW FeFET berbasis HZO tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih menurun dengan jelas dari tahap awal siklus P/E, sedangkan MW dari FeFET berbasis HZO dengan kristal tambahan ZrO2 lapisan benih berkurang sedikit hingga 1 × 10
3
siklus. Saat nomor siklus P/E semakin meningkat, FeFET berbasis HZO dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih juga menunjukkan degradasi yang jelas di lereng ID –VG kurva dan MW, karena peningkatan generasi perangkap antarmuka. Namun, MW FeFET berbasis HZO dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih masih lebih besar dari 0,9 V hingga 1 × 10
4
siklus, yang kira-kira 2,3 kali lebih besar dari itu (0,4 V) dari FeFET berbasis HZO tanpa tambahan kristal ZrO2 lapisan benih. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, penurunan medan listrik yang diperlukan untuk memperoleh keadaan polarisasi yang lebih jenuh mungkin bertanggung jawab atas peningkatan sifat ketahanan.
Evolusi VTH dengan bersepeda P/E
Kesimpulan
MW serta keandalan sehubungan dengan retensi dan daya tahan FeFET berbasis HZO dengan TaN/HZO/SiO2 /Si dan TaN/HZO/ZrO2 /SiO2 /Si Tumpukan gerbang MFIS dicirikan oleh pengukuran pulsa tegangan cepat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa FeFET berbasis HZO dengan tambahan kristal ZrO2 lapisan benih menunjukkan jendela memori awal yang besar sebesar 1,4 V dan retensi 10 tahun ekstrapolasi sebesar 0,9 V, lebih besar dari jendela memori awal (0,8 V) dari FeFET berbasis HZO tanpa ZrO kristal tambahan2 lapisan benih. Selain itu, keandalan sehubungan dengan daya tahan FeFET berbasis HZO dapat ditingkatkan dengan memasukkan kristal ZrO2 lapisan benih di antara lapisan HZO dan SiO2 /Si substrat. Peningkatan MW dan ketahanan FeFET berbasis HZO dengan ZrO2 lapisan benih terutama terkait dengan peningkatan kualitas kristal lapisan HZO dan generasi yang ditekan dari perangkap antarmuka karena penurunan medan listrik yang diperlukan untuk mendapatkan keadaan polarisasi yang lebih jenuh. Atas dasar pekerjaan ini, diharapkan bahwa penggunaan tumpukan gerbang k/Si kristal langsung tinggi akan lebih meningkatkan MW dan keandalan HfO2 berbasis FeFET, dan karenanya memerlukan studi dan pengembangan lebih lanjut.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
