Peningkatan Jendela Memori dan Ketahanan FeFET Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ dengan Lapisan Benih ZrO₂: Karakterisasi Pulsa Cepat

Latar Belakang

Tipis feroelektrik HfO₂ telah menarik perhatian signifikan untuk tumpukan gerbang FeFET karena kompatibilitasnya dengan proses CMOS dan skalabilitas yang luar biasa. Di antara berbagai arsitektur tumpukan gerbang, struktur MFIS sangat menarik karena sesuai dengan desain perangkat MOS saat ini dan dapat diintegrasikan dengan teknologi log-membus high-k metal (HKMG). Akibatnya, FeFET MFIS telah dieksplorasi untuk memori non-volatil tersemat, FET kapasitansi negatif, perangkat neuromorfik, dan sirkuit logika-dalam-memori [1–8].

FeFET MFIS terdepan yang dibuat menggunakan proses HKMG telah menunjukkan integrasi padat dan kecepatan tulis yang cepat [9,10]. Namun, untuk aplikasi memori non-volatil, MW yang besar dan retensi serta ketahanan yang kuat adalah hal yang penting [11–14]. FeFET berbasis HfO₂ biasanya menawarkan retensi yang andal (ekstrapolasi 10 tahun) [15–17], tetapi ketahanannya bervariasi dari 10⁴ hingga 10⁷ siklus perpindahan [17–23]. Studi teoritis menunjukkan bahwa insulator high-k dapat mengurangi medan listrik di seluruh tumpukan MFIS, sehingga mengurangi lenturan pita dan meningkatkan baik MW maupun ketahanan [12,14]. Secara eksperimental, meningkatkan konstanta dielektrik lapisan insulator tipis (misalnya, mengganti SiO₂ dengan SiON) telah terbukti meningkatkan ketahanan dan MW [13]. Kerja sebelumnya juga telah menunjukkan bahwa penyisipan lapisan ZrO₂ kristal meningkatkan kualitas kristal film HZO dan menekan fase monoklinik yang merugikan, menghasilkan MW sebesar 2,8 V yang diukur dengan pengemis DC [24].

Di sini kami menyajikan studi sistematis tentang MW, retensi, dan ketahanan FeFET HZO dengan dan tanpa lapisan benih kristal ZrO₂, yang dikarakterisir dengan pulsa tegangan positif dan negatif cepat. Kami membahas bagaimana lapisan benih mempengaruhi properti feroelektrik, keandalan listrik, dan performa perangkat secara keseluruhan.

Metode

Kedua FeFET saluran n—dengan dan tanpa lapisan benih ZrO₂—dibuat menggunakan proses gerbang terakhir sebagaimana dijelaskan dalam Ref. [24]. Lapisan benih ZrO₂ dan lapisan HZO dipertaruh pada 300 °C oleh depo lastir atom (ALD). Geometri perangkat ditunjukkan pada Gambar 1a, dengan lebar saluran W = 80 µm dan panjang L = 7 µm. Selain itu, kapasitor TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO₂/TaN dibuat untuk mengevaluasi properti feroelektrik film HZO. Lingkar polarisasi–tegangan (P–V) histeresis diukur menggunakan penguji feroelektrik Radiant Technologies RT66A, sementara karakteristik FeFET dicatat dengan analyzer Agilent B1500A yang dilengkapi dengan generator pulsa (B1525A) [20].

Dua urutan tes utama digunakan (Gambar 1b,c). Untuk studi MW dan retensi, pulsa program/hapus (P/E) pertama kali diterapkan ke gerbang FeFET, diikuti oleh operasi baca pada berbagai interval waktu menggunakan sweeps I_D–V_G (V_D = 0,1 V). Tegangan ambang V_TH diekstraksi pada arus saluran 10⁻⁷ A·W/L [25], dan MW didefinisikan sebagai perbedaan V_TH antara keadaan terprogram dan terhapus. Ketahanan dievaluasi dengan mengukur MW setelah jumlah siklus P/E bergantian yang ditentukan.

a Skematis FeFET yang dibuat. Lapisan benih kristal ZrO₂ disorot dengan garis grid hitam. b, c Urutan tes untuk pengukuran MW dan ketahanan.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a menunjukkan lingkar P–V histeresis kapasitor TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO₂/TaN. Penyertaan lapisan benih kristal ZrO₂ secara signifikan meningkatkan respons feroelektrik, konsisten dengan laporan sebelumnya [26], dan mengonfirmasi bahwa lapisan benih meningkatkan kristalinitas film HZO dan menekan fase monoklinik [24].

a Lingkar P–V histeresis struktur TaN/HZO/TaN dan TaN/HZO/ZrO₂/TaN yang diukur pada 4 V dan 5 kHz. b Kurva I_D–V_G FeFET HZO dengan (w) dan tanpa (w/o) lapisan benih ZrO₂ setelah pulsa program (+7 V/100 ns) dan pulsa hapus (−7 V/100 ns).

Pada FeFET, karakteristik I_D–V_G searah jarum jam mengonfirmasi bahwa MW berasal dari perpindahan polarisasi feroelektrik bukan dari penangkap muatan. FeFET dengan lapisan benih ZrO₂ mencapai MW sebesar 1,4 V—lagih 1,8 kali lebih besar daripada 0,8 V yang diamati pada perangkat bebas lapisan benih—dan cocok dengan nilai terbaik yang telah dilaporkan hingga saat ini [9,11,14,17,21–23,27].

Performa retensi dievaluasi dengan mengukur V_TH setelah pulsa program dan hapus pada suhu kamar (Gambar 3). Kedua perangkat menunjukkan tren V_TH yang kurang lebih linier versus log(waktu). Ekstrapolasi ke 10 tahun menghasilkan MW sebesar 0,9 V untuk perangkat dengan lapisan benih, dibandingkan 0,6 V untuk perangkat bebas lapisan benih. CET yang lebih besar dari tumpukan ZrO₂/SiO₂ (1,5 nm/2,6 nm) meningkatkan medan depoalisasi, mengindikasikan bahwa peningkatan retensi lebih lanjut dapat dicapai dengan menipiskan lapisan SiO₂.

Karakteristik retensi FeFET HZO dengan dan tanpa lapisan benih ZrO₂.

Gambar 4 melacak evolusi kurva I_D–V_G di bawah siklus P/E bergantian ±7 V/100 ns. Perangkat bebas lapisan benih menunjukkan pergeseran dan degradaansi kemiringan yang signifikan dari siklus awal, dengan keadaan terhapus mengalami kehilangan kemiringan yang lebih besar. Sebaliknya, perangkat dengan lapisan benih hanya menunjukkan pergeseran positif kecil pada keadaan terhapus—yang dapat diturunkan pada efek wake-up [13,28–32]—dan pergeseran yang dapat diabaikan pada keadaan terprogram hingga 1×10³ siklus. Kedua keadaan juga hanya menunjukkan degradaansi kemiringan yang ringan, mengindikasikan generasi jebakan antarmuka yang berkurang.

Evolusi kurva I_D–V_G FeFET HZO a tanpa dan b dengan lapisan benih ZrO₂ di bawah siklus P/E.

Kepadatan jebakan antarmuka (ΔN_it) diturunkan dari perubahan sub-ambang menggunakan ΔSS = (ΔN_it kT ln 10)/(C_FI ϕ_F) [34,35]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, ΔN_it meningkat tajam pada perangkat bebas lapisan benih dari beberapa siklus awal dan jauh lebih tinggi pada keadaan terhapus. Sebaliknya, perangkat dengan lapisan benih hampir tidak menunjukkan perubahan ΔN_it hingga 1×10³ siklus dan secara konsisten memiliki nilai yang lebih rendah daripada perangkat bebas lapisan benih. Medan listrik yang berkurang di seluruh tumpukan gerbang, berkat lapisan benih high-k, mengurangi lenturan pita dan menekan generasi jebakan antarmuka [12,14].

Evolusi ΔN_it dengan siklus P/E.

Arus kebocoran gerbang (I_G–V_G) juga mencerminkan dampak lapisan benih (Gambar 6). Perangkat bebas lapisan benih mengalami kenaikan dramatis dalam kebocoran dari siklus awal, sedangkan perangkat dengan lapisan benih menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan hingga 5×10² siklus dan mempertahankan kebocoran yang lebih rendah sepanjang waktu. Karena jebakan antarmuka dapat meningkatkan kebocoran, penekanan generasi jebakan pada perangkat dengan lapisan benih menjelaskan stabilitas yang diamati.

Evolusi karakteristik arus kebocoran gerbang (I_G–V_G) FeFET HZO a tanpa dan b dengan lapisan benih ZrO₂ di bawah siklus P/E.

Terakhir, nilai V_TH yang diekstraksi dari kurva I_D–V_G selama siklus P/E (Gambar 7) menunjukkan bahwa perangkat dengan lapisan benih secara konsisten mempertahankan MW yang lebih besar daripada perangkat bebas lapisan benih. Sementara MW bebas lapisan benih menurun dengan cepat, MW dengan lapisan benih hanya menurun sedikit hingga 1×10³ siklus dan tetap di atas 0,9 V bahkan setelah 1×10⁴ siklus—sekitar 2,3 kali MW 0,4 V perangkat bebas lapisan benih. Medan listrik yang diperlukan untuk mencapai keadaan polarisasi terpadu yang kemungkinan menjadi dasar keunggulan ketahanan ini.

Evolusi V_TH dengan siklus P/E.

Kesimpulan

Pengukuran pulsa cepat pada FeFET HZO dengan tumpukan gerbang MFIS TaN/HZO/SiO₂/Si dan TaN/HZO/ZrO₂/SiO₂/Si menunjukkan bahwa lapisan benih kristal ZrO₂ secara signifikan meningkatkan jendela memori dan ketahanan. Perangkat dengan lapisan benih mencapai MW awal sebesar 1,4 V, MW ekstrapolasi 10 tahun sebesar 0,9 V, dan mempertahankan MW di atas 0,9 V setelah 10⁴ siklus P/E—sangat mengalahkan sekutu bebas lapisan benih. Peningkatan ini berasal dari kristalinitas yang ditingkatkan lapisan HZO dan generasi jebakan antarmuka yang berkurang karena medan listrik yang diturunkan di seluruh tumpukan gerbang. Hasil ini menunjukkan bahwa integrasi tumpukan gerbang high-k/Si kristal langsung akan meningkatkan lebih lanjut MW dan keandalan FeFET berbasis HfO₂, membuka jalan untuk adopsi mereka dalam teknologi memori dan logika-dalam-memori generasi mendatang.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.

Singkatan

CMOS:

Semikonduktor logam-oksida semikonduktor komplementer

FeFET:

Transistor efek medan feroelektrik

FeFETs:

Transistor efek medan feroelektrik

HKMG:

Log-membus high-k metal

HZO:

Hf₀.₅Zr₀.₅O₂

I_D:

Arus saluran

L:

Panjang

MFIS:

Logam/feroelektrik/insulator/semikonduktor

MW:

Jendela memori

P/E:

Program/hapus

P–V:

Polarisasi–tegangan

SS:

Gir sub-ambang

V_G:

Tegangan gerbang

V_TH:

Tegangan ambang

W:

Lebar

ΔN_it:

Jebakan antarmuka yang dihasilkan