Perilaku Seperti Ferroelektrik Stabil dalam Film Al₂O₃ Amorf 3,6 nm Memungkinkan NVFET Multi-Gate yang Dapat Diskalakan
Abstrak
Perangkat ferroelektrik tradisional menderita kurangnya skalabilitas. Film tipis HfO₂ doped menjanjikan untuk memecahkan masalah skala namun tantangannya adalah arus bocor tinggi dan kekhawatiran seragamnya karena sifat kristal polikristal. Perilaku seperti ferroelektrik stabil pertama kali ditunjukkan dalam film Al₂O₃ amorf tebal 3,6 nm. Perangkat Al₂O₃ amorf sangat dapat diskalakan, yang memungkinkan transistor medan non-volatil multi-gate (NVFET) dengan jarak pitch fin skala nanometer. Perangkat ini juga memiliki keuntungan suhu proses rendah, frekuensi tinggi (~GHz), jendela memori lebar, dan daya tahan panjang, yang menunjukkan potensi besar dalam sistem VLSI. Polarisasi yang dapat diubah (P) yang diinduksi oleh dipole rongga oksigen yang dimodulasi tegangan diusulkan.
Latar Belakang
Memori akses acak ferroelektrik (FeRAM) berdasarkan ferroelektrik perovskit konvensional (misalnya, PZT) telah menjadi salah satu memori non-volatil komersial (NVM) [1], meskipun tidak dapat diskalakan dan tidak kompatibel CMOS. Ferroelektrikitas banyak diamati dalam berbagai bahan yang berbeda, seperti dinding aorta babi [2], nanowire Sb₂S₃ [3], film GaFeO₃ [4], film poly-HfO₂ doped [5], film hidroksiapatit nanokristal [6], dan film LaAlO₃-SrTiO₃ [7]. Di antara bahan ini, film HfO₂ doped menarik perhatian khusus untuk aplikasi NVM karena kompatibilitas proses CMOSnya. Namun, struktur polikristal tidak terhindarkan untuk menghasilkan ferroelektrikitas dalam HfO₂ doped, yang membawa hambatan untuk aplikasi perangkat sebagai berikut: 1) tidak kompatibel dengan proses gate-last terkait dengan anggaran termal 500 °C yang diperlukan untuk membentuk fase kristal ortombik [8]; 2) konsumsi daya diinduksi dari arus bocor yang tidak diinginkan sepanjang batas kristal, yang meningkat eksponensial seiring dengan penurunan ketebalan ferroelektrik. Baru-baru ini, studi teoretis mengusulkan bahwa ferroelektrikitas tambahan dalam poly-HfO₂ tebal (>5 nm) dapat datang dari korelasi jarak jauh dalam rangkaian dipole listrik yang diciptakan oleh rongga oksigen [9]. Mekanisme penangkap/lepaskan charge cacat diamati menghasilkan perilaku seperti ferroelektrik dalam Al₂O₃ amorf tebal 5 nm untuk memori multi-status, yang Namun, menderita frekuensi penangkap/lepaskan yang sangat rendah (misalnya, ~500 Hz) [10].
Dalam karya ini, perilaku seperti ferroelektrik stabil ditunjukkan dalam film Al₂O₃ amorf tebal 3,6 nm, di mana polarisasi yang dapat diubah (P) diusulkan diinduksi oleh dipole rongga oksigen yang dimodulasi tegangan. Film Al₂O₃ amorf memiliki keuntungan suhu proses rendah dan frekuensi operasi hingga ~GHz, yang memungkinkan transistor medan non-volatil multi-gate (NVFET) dengan jarak pitch fin skala nanometer. Memori NVFET Al₂O₃ dengan lebar pulsa program/hapus (P/E) 100 ns dan daya tahan lebih dari 10⁶ siklus P/E ditunjukkan. Efek elektroda dan ketebalan film terhadap P dalam kapasitor Al₂O₃ juga diteliti. Perangkat non-volatil amorf menunjukkan masa depan yang promising dalam memori VLSI.
Metode
Film Al₂O₃ amorf ditumbuhkan pada substrat Si(001), Ge(001), dan TaN/Si oleh depo position lapisan atom (ALD). TMA dan H₂O uap digunakan sebagai prekursor Al dan O, masing-masing. Selama depo position, suhu substrat dipertahankan pada 300 °C. Elektroda logam atas yang berbeda, termasuk TaN/Ti, TaN, dan W, ditumbuhkan pada permukaan Al₂O₃ oleh sputtering reaktif. Kapasitor dengan elektroda yang berbeda dibuat dengan pola litografi dan pengeringan kering. Pengeringan termal cepat (RTA) pada 350 °C selama 30 detik dilakukan. NVFET dengan tumpukan gerbang TaN/Al₂O₃ dibuat pada Ge(001). Setelah pembentukan gerbang, wilayah sumber/saluran (S/D) diimplantasi oleh BF₂⁺ dengan dosis 1 × 10¹⁵ cm⁻² dan energi 20 keV, dan elektroda logam nikel S/D tebal 20 nm kemudian dibentuk oleh proses lift-off. Gambar 1a dan b menunjukkan skematis kapasitor Al₂O₃ yang dibuat dan NVFET Al₂O₃. Ada lapisan antarmuka (IL) antara elektroda dan film Al₂O₃. Gambar 1c dan d menunjukkan citra mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) tumpukan TaN/Al₂O₃/Ge dengan ketebalan Al₂O₃ amorf yang berbeda (t_AlO) setelah RTA pada 350 °C.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan karakteristik P vs. tegangan V yang diukur untuk kapasitor Al₂O₃ amorf dengan t_AlO yang berbeda dan berbagai elektroda atas dan bawah. Frekuensi pengukuran adalah 1 kHz. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a–c, dengan t_AlO tetap 3,6 nm, kapasitor TaN/Al₂O₃/Ge mencapai P_sat yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat dengan elektroda atas TaN/Ti dan W. Perilaku seperti ferroelektrik sangat berkorelasi dengan antarmuka, dan diusulkan bahwa pembentukan IL TaAlO_x antara TaN dan Al₂O₃ menghasilkan lebih banyak rongga oksigen, yang berkontribusi pada P switching yang lebih kuat, dibandingkan dengan IL TiAlO_x dan WAlO_x. Kurva P-V dalam Gambar 2d menunjukkan bahwa kapasitor TaN/Al₂O₃/TaN memiliki P_sat yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan TaN/Al₂O₃/Ge, yang dikaitkan dengan fakta bahwa IL TaAlO_x ganda memberikan konsentrasi rongga oksigen yang lebih tinggi. Sementara P_sat jauh lebih rendah dari yang dengan elektroda bawah Si (Gambar 2e), dibandingkan dengan elektroda Ge. Hasil ini menunjukkan bahwa kualitas antarmuka Al₂O₃/Si lebih baik, yaitu, lebih sedikit rongga oksigen, dibandingkan dengan perangkat berdasarkan substrat Ge. Gambar 2f menunjukkan kurva P-V dari kapasitor TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge, yang menunjukkan V_c yang lebih tinggi dan P_sat yang hampir identik dibandingkan dengan perangkat dengan film Al₂O₃ tebal 3,6 nm dalam Gambar 2b. Diperhatikan bahwa alasan loop P-V yang tidak tertutup adalah karena arus bocor memang ada. Dilaporkan bahwa offset besar pada medan listrik nol selalu terjadi dengan medan besar, dan selalu menghilang secara bertahap dengan cakupan V yang lebih kecil [11, 12].
Gambar 2g dan h menunjukkan evolusi yang diekstraksi dari nilai remnant P positif dan negatif (P_r) dan coercive V (V_c), masing-masing, selama 10⁴ siklus pemindaian untuk kapasitor TaN/Al₂O₃/Ge. Tidak ada efek wake-up, imprint, atau fatigue yang diamati. V_c perangkat adalah ~1,8 V, yang menunjukkan bahwa E dalam film Al₂O₃ adalah 4~6 MV/cm dan dalam IL dapat melebihi 8 MV/cm, yang cukup tinggi untuk mendorong rongga oksigen [13, 14]. P_sat perangkat bervariasi dari 1 hingga 5 μC/cm², yang sesuai dengan konsentrasi rongga oksigen yang wajar dalam rentang 3~15×10¹² cm⁻² mengasumsikan mereka memiliki charge plus dua.
Mekanisme underlying untuk perilaku seperti ferroelektrik yang terkait dengan rongga oksigen dalam perangkat Al₂O₃ dibahas. Migrasi rongga oksigen yang didorong tegangan telah banyak ditunjukkan dalam perangkat memori akses acak resistif [15, 16]. Gambar 3 menunjukkan skematis P yang dapat diubah dalam TaN/Al₂O₃/Ge, yang berasal dari segregasi rongga oksigen yang dimodulasi tegangan dan charge negatif untuk membentuk dipole listrik. Wajar untuk menyimpulkan bahwa rongga oksigen yang dapat bergerak terutama berasal dari pembentukan IL TaAlO_x dan terletak di dekat antarmuka atas pada keadaan awal (Gambar 3a). Gambar 3b dan c menunjukkan bagaimana P positif dan negatif terbentuk, masing-masing, dengan modulasi dipole rongga oksigen dan charge negatif di bawah tegangan yang diterapkan. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) dari sampel Al₂O₃/Ge dan (Ti, TaN, dan W)/Al₂O₃/Ge diukur dan ditunjukkan dalam Gambar 4. Untuk semua sampel logam/Al₂O₃/Ge, ada IL logam oksida yang terbentuk antara logam dan Al₂O₃, yang diusulkan sebagai resevoir ion oksigen dan rongga oksigen, yang konsisten dengan Ref. [17].
Untuk mengkarakterisasi kinerja listrik NVFET Al₂O₃ sebagai NVM, operasi program (hapus) dicapai dengan memberikan pulsa tegangan positif (negatif) ke gerbang, untuk meningkatkan (menurunkan) tegangan ambangnya (V_TH). Gambar 5a menunjukkan bagaimana karakteristik transfer wilayah linear NVFET Al₂O₃ bergeser relatif terhadap kurva I_DS-V_GS awal yang diukur dengan tegangan program (hapus) ±4 V dengan lebar pulsa 100 ns. Di sini, V_TH didefinisikan sebagai V_GS pada 100 nA⋅W/L, dan MW didefinisikan sebagai perubahan maksimum dalam V_TH. NVFET Al₂O₃ mendapatkan MW sebesar 0,44 V, meskipun film Al₂O₃ amorf memiliki P_r yang lebih kecil daripada film HfO₂ doped yang dilaporkan [5, 8]. Diperhatikan bahwa frekuensi operasi tinggi hingga 10 MHz dari memori NVFET Al₂O₃, yang menunjukkan bahwa P yang dapat diubah dalam Al₂O₃ berasal dari migrasi rongga oksigen yang didorong tegangan untuk membentuk dipole, bukan dari penangkap/lepaskan charge cacat. Pulsa program dan hapus bergantian diberikan pada perangkat Al₂O₃ untuk mempelajari daya tahan perangkat lebih lanjut. Gambar 5b menunjukkan plot V_TH vs. jumlah siklus P/E, yang menunjukkan bahwa MW stabil dapat dipertahankan tanpa degradasi yang signifikan selama 10⁶ siklus P/E untuk NVFET Al₂O₃ tebal 3,6 nm.
Secara khusus, perilaku seperti ferroelektrik yang diamati dalam perangkat Al₂O₃ amorf dapat diperluas ke oksida amorf universal, misalnya, oksida hafnium (HfO₂) dan oksida zirkonium (ZrO₂).
Kesimpulan
Perilaku seperti ferroelektrik stabil pertama kali direalisikan dalam kapasitor dengan isolator Al₂O₃ amorf tipis. P yang dapat diubah dalam kapasitor Al₂O₃ amorf ditunjukkan oleh loop P-V dan uji NVFET. Perilaku seperti ferroelektrik diusulkan berasal dari rongga oksigen dan dipole ion antarmuka. NVFET Al₂O₃ tebal 3,6 nm mencapai MW sebesar 0,44 V dan daya tahan lebih dari 10⁶ siklus di bawah ±4 V pada kondisi P/E 100 ns. Secara keseluruhan, karya ini membuka dunia baru untuk perangkat ferroelektrik oksida amorf, yang promising untuk NVFET multi-gate (berbentuk fin, nanowire, atau nanosheet) dengan potensi jarak pitch fin nano-skalabel dalam sistem VLSI.
