Perilaku Seperti Ferroelektrik Berasal dari Dipol Kekosongan Oksigen dalam Film Amorf untuk Memori Non-Volatil
Abstrak
Perangkat feroelektrik tradisional mengalami kekurangan skalabilitas. Doping HfO2 film tipis menjanjikan untuk memecahkan masalah penskalaan tetapi ditantang oleh arus bocor yang tinggi dan perhatian keseragaman oleh sifat polikristalin. Perilaku seperti feroelektrik yang stabil pertama kali ditunjukkan dalam Al2 amorf setebal 3,6 nm. O3 film. Al2 . yang amorf O3 perangkat sangat terukur, yang memungkinkan transistor efek medan non-volatil multi-gerbang (NVFET) dengan pitch sirip skala nanometer. Ini juga memiliki keunggulan suhu proses rendah, frekuensi tinggi (~GHz), jendela memori lebar, dan daya tahan lama, menunjukkan potensi besar dalam sistem VLSI. Polarisasi yang dapat diganti (P ) yang diinduksi oleh dipol kekosongan oksigen termodulasi tegangan diusulkan.
Latar Belakang
Memori akses acak feroelektrik (FeRAM) berdasarkan feroelektrik perovskit konvensional (misalnya, PZT) telah menjadi salah satu memori non-volatil komersial (NVM) [1], meskipun tidak dapat diskalakan dan tidak kompatibel dengan CMOS. Ferroelektrik diamati secara luas dalam berbagai bahan yang berbeda, seperti dinding aorta babi [2], Sb2 S3 kawat nano [3], GaFeO3 film [4], poli-HfO yang didoping2 film [5], film hidroksiapatit nanokristalin [6], dan LaAlO3 -SrTiO3 film [7]. Di antara bahan-bahan ini, doped-HfO2 film telah menarik minat khusus untuk aplikasi NVM karena kompatibilitas proses CMOS mereka. Tetapi struktur polikristalin tidak dapat dihindari untuk menghasilkan feroelektrik dalam doped-HfO2 , yang membawa hambatan untuk aplikasi perangkat untuk diatasi sebagai berikut:1) tidak sesuai dengan pemrosesan gerbang terakhir sehubungan dengan anggaran termal 500 °C yang diperlukan untuk membentuk fase kristal ortorombik [8]; 2) konsumsi daya diinduksi dari arus bocor yang tidak diinginkan di sepanjang batas butir, yang meningkat secara eksponensial seiring dengan penurunan ketebalan feroelektrik. Baru-baru ini, sebuah studi teoritis mengusulkan bahwa feroelektrik tambahan di poli-HfO tebal2 (>5 nm) dapat berasal dari korelasi jarak jauh dalam perakitan dipol listrik yang diciptakan oleh kekosongan oksigen [9]. Mekanisme perangkap/penjebakan muatan cacat diamati untuk menghasilkan perilaku seperti feroelektrik dalam Al2 amorf setebal 5 nm. O3 untuk memori multi-status, yang, bagaimanapun, mengalami frekuensi trapping/detrapping yang sangat rendah (mis., ~500 Hz) [10].
Dalam karya ini, perilaku seperti feroelektrik yang stabil ditunjukkan dalam Al2 amorf setebal 3,6 nm. O3 film, di mana polarisasi yang dapat diganti (P ) diusulkan untuk diinduksi oleh dipol kekosongan oksigen termodulasi tegangan. Al2 . yang amorf O3 film memiliki keunggulan suhu proses yang rendah dan frekuensi operasi hingga ~GHz, yang memungkinkan transistor efek medan non-volatil multi-gerbang (NVFET) dengan jarak sirip skala nanometer. Al2 O3 Memori NVFET dengan tegangan program/penghapusan (P/E) lebar pulsa 100 ns dan lebih dari 10
6
Daya tahan siklus P/E ditunjukkan. Efek elektroda dan ketebalan film pada P di Al2 O3 kapasitor juga diselidiki. Perangkat non-volatil amorf menunjukkan masa depan yang menjanjikan dalam memori VLSI.
Metode
Al2 . amorf O3 film ditumbuhkan pada substrat Si(001), Ge(001), dan TaN/Si dengan deposisi lapisan atom (ALD). TMA dan H2 Uap O masing-masing digunakan sebagai prekursor Al dan O. Selama pengendapan, suhu substrat dipertahankan pada 300 °C. Elektroda logam atas yang berbeda, termasuk TaN/Ti, TaN, dan W, diendapkan pada Al2 O3 permukaan dengan sputtering reaktif. Kapasitor dengan elektroda yang berbeda dibuat dengan pola litografi dan etsa kering. Anil termal cepat (RTA) pada 350 ° C selama 30 detik dilakukan. NVFET dengan TaN/Al2 O3 tumpukan gerbang dibuat pada Ge (001). Setelah pembentukan gerbang, daerah source/drain (S/D) ditanamkan oleh BF2
+
dengan dosis 1×10
15
cm
-2
dan energi 20 keV, dan elektroda logam S/D nikel setebal 20 nm kemudian dibentuk dengan proses lift-off. Gambar 1a dan b menunjukkan skema Al2 O3 kapasitor dan NVFET saluran-p. Ada lapisan antarmuka (IL) antara elektroda dan Al2 O3 film. Gambar 1c dan d menunjukkan gambar mikroskop elektron transmisi (HRTEM) resolusi tinggi dari TaN/Al2 O3 /Ge tumpukan dengan Al2 amorf yang berbeda O3 ketebalan (tAlO ) setelah RTA pada 350 °C.
Skema a . yang dibuat Al2 O3 kapasitor dengan berbagai elektroda dan b Al2 O3 NVFET. c dan d Gambar HRTEM dari TaN/Al2 . yang dibuat O3 /Ge tumpukan dengan t . yang berbeda AlO , menunjukkan Al2 . yang amorf O3 film setelah RTA pada 350 °C
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan pengukuran P vs. tegangan V karakteristik untuk Al2 . amorf O3 kapasitor dengan t . yang berbeda AlO dan berbagai elektroda atas dan bawah. Frekuensi pengukuran adalah 1 kHz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a–c, dengan 3,6 nm tetap tAlO , TaN/Al2 O3 /Ge kapasitor mencapai saturasi yang lebih tinggi P (Psab ) dibandingkan dengan perangkat dengan elektroda atas TaN/Ti dan W. Perilaku seperti feroelektrik sangat berkorelasi dengan antarmuka, dan diusulkan bahwa pembentukan TaAlOx IL antara TaN dan Al2 O3 menghasilkan lebih banyak kekosongan oksigen, berkontribusi pada peralihan yang lebih kuat P , dibandingkan dengan TiAlOx dan WAlOx IL. P-V kurva pada Gambar. 2d menunjukkan bahwa TaN/Al2 O3 /TaN kapasitor memiliki P . yang jauh lebih tinggi sab dibandingkan dengan TaN/Al2 O3 /Ge, yang dikaitkan dengan fakta bahwa TaAlO gandax ILS memberikan konsentrasi kekosongan oksigen yang lebih tinggi. Sementara Psab secara signifikan lebih rendah dari elektroda bawah Si (Gbr. 2e), dibandingkan dengan elektroda Ge. Hasil ini menunjukkan bahwa Al2 O3 /Si kualitas antarmuka lebih baik, yaitu, kekosongan oksigen lebih sedikit, dibandingkan dengan perangkat berbasis substrat Ge. Gambar 2f menunjukkan P-V kurva dari TaN/Al2 O3 (6 nm)/kapasitor Ge, menunjukkan V . yang lebih tinggi c dan P . yang hampir identik sab dibandingkan dengan perangkat dengan 3,6 nm Al2 O3 film pada Gambar. 2b. Perlu dicatat bahwa alasan untuk P . yang tidak tertutup -V loop karena kebocoran memang ada. Dilaporkan bahwa offset besar pada medan listrik nol selalu terjadi dengan medan besar, dan selalu menghilang secara bertahap dengan rentang sapuan yang lebih kecil V [11, 12].
Diukur P vs. V karakteristik Al2 O3 kapasitor dengan elektroda yang berbeda. a , b , dan c menunjukkan P -V kurva TaN/Ti/Al2 O3 /Ge, TaN/Al2 O3 /Ge, dan W/Al2 O3 /Ge, masing-masing, dengan 3,6-nm tAlO . d dan e menunjukkan bahwa Psab ditingkatkan (direduksi) dengan menggunakan TaN(Si) sebagai elektroda bawah, bukan Ge. f TaN/Al2 O3 (6 nm)/kapasitor Ge memiliki V . yang lebih tinggi c dan P similar yang serupa sab dibandingkan dengan perangkat setebal 3,6 nm di b . g dan h Pengukuran daya tahan tidak menunjukkan penurunan Pr dan Vc diamati setelah 10
4
siklus menyapu untuk TaN/Al2 O3 (3,6 nm)/kapasitor Ge
Gambar 2g dan h menunjukkan evolusi yang diekstraksi dari sisa positif dan negatif P (Pr ) dan koersif V (Vc ) nilai, masing-masing, lebih dari 10
4
siklus menyapu untuk TaN/Al2 O3 /Ge kapasitor. Tidak ada efek bangun, jejak, atau kelelahan yang diamati. Vc perangkat adalah ~1,8 V, menunjukkan bahwa E di Al2 O3 film adalah 4~6 MV/cm dan dalam IL dapat melebihi 8 MV/cm, yang cukup tinggi untuk mendorong kekosongan oksigen [13, 14]. Psab perangkat berkisar dari 1 hingga 5 C/cm
2
, sesuai dengan konsentrasi kekosongan oksigen yang wajar dalam kisaran 3~15×10
12
cm
-2
dengan asumsi mereka memiliki muatan plus dua.
Mekanisme yang mendasari perilaku seperti feroelektrik yang terkait dengan kekosongan oksigen di Al2 O3 perangkat dibahas. Migrasi kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan telah banyak ditunjukkan dalam perangkat memori akses acak resistif [15, 16]. Gambar 3 menunjukkan skema P . yang dapat dialihkan di TaN/Al2 O3 /Ge, yang berasal dari pemisahan kekosongan oksigen termodulasi tegangan dan muatan negatif untuk membentuk dipol listrik. Masuk akal untuk menyimpulkan bahwa kekosongan oksigen bergerak terutama timbul dari pembentukan TaAlOx IL dan terletak di sekitar antarmuka atas pada keadaan awal (Gbr. 3a). Gambar 3b dan c menunjukkan bagaimana positif dan negatif P terbentuk, masing-masing, dengan modulasi kekosongan oksigen dan dipol muatan negatif di bawah tegangan yang diberikan. Spektrum fotoelektron sinar-X (XPS) Al2 O3 /Ge dan (Ti, TaN, dan W)/Al2 O3 /Ge sampel diukur dan ditunjukkan pada Gambar. 4). Untuk semua logam/Al2 O3 /Ge sampel, ada IL oksida logam yang terbentuk antara logam dan Al2 O3 , yang diusulkan menjadi reservoir ion oksigen dan kekosongan, yang konsisten dengan Ref. [17].
Skema mekanisme perilaku seperti feroelektrik di Al2 O3 kapasitor. Dapat diganti P disebabkan oleh migrasi kekosongan oksigen dan muatan negatif untuk membentuk dipol
Spektrum XPS tingkat inti dari a Al2 O3 /Ge, b TaN/Al2 O3 /Ge, c Ti/Al2 O3 /Ge, dan d S/Al2 O3 /Ge sampel
Untuk mengkarakterisasi kinerja listrik Al2 O3 NVFET sebagai NVM, operasi program (penghapusan) dicapai dengan menerapkan pulsa tegangan positif (negatif) ke gerbang, untuk menaikkan (menurunkan) tegangan ambangnya (VTH ). Gambar 5a menunjukkan bagaimana karakteristik transfer daerah linier dari Al2 O3 Pergeseran NVFET relatif terhadap I initial awal DS -VGS kurva diukur dengan tegangan program (hapus) ±4 V dengan lebar pulsa 100 ns. Di sini, VTH didefinisikan sebagai VGS pada 100 nA⋅W/L, dan MW didefinisikan sebagai perubahan maksimum dalam VTH . Al2 O3 NVFET memperoleh MW 0,44 V, meskipun Al2 . amorf O3 film memiliki P . yang lebih kecil r daripada HfO yang dilaporkan didoping2 film [5, 8]. Tercatat bahwa frekuensi operasi tinggi hingga 10 MHz dari Al2 O3 Memori NVFET, yang menunjukkan P . yang dapat dialihkan itu di Al2 O3 berasal dari migrasi kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan untuk membentuk dipol, bukan dari perangkap/penjebakan muatan cacat. Program bergantian dan menghapus pulsa diterapkan ke Al2 O3 perangkat untuk mempelajari lebih lanjut daya tahan perangkat. Gambar 5b menunjukkan plot VTH vs. Nomor siklus P/E, menunjukkan bahwa MW yang stabil dapat dipertahankan tanpa penurunan yang signifikan selama 10
6
Siklus P/E untuk Al2 . setebal 3,6 nm O3 NVFET.
a Mengukur IDS -VGS kurva Al2 . setebal 3,6 nm O3 NVFET untuk keadaan awal dan dua keadaan polarisasi. Sebuah MW dari 0,44 V diperoleh. b Pengukuran daya tahan menunjukkan bahwa tidak ada degradasi MW yang diamati setelah 10
6
Siklus P/E
Khususnya, perilaku seperti feroelektrik yang diamati di Al2 . amorf O3 perangkat dapat diperluas ke oksida amorf universal, misalnya, hafnium oksida (HfO2 ) dan zirkonium oksida (ZrO2 ).
Kesimpulan
Perilaku seperti feroelektrik yang stabil pertama kali diwujudkan dalam kapasitor dengan Al2 amorf tipis. O3 isolator. Dapat diganti P dalam Al2 . amorf O3 kapasitor ditunjukkan oleh P-V loop dan tes NVFET. Perilaku seperti feroelektrik diusulkan berasal dari kekosongan antarmuka oksigen dan dipol ion. Al2 setebal 3,6 nm O3 NVFET mencapai MW 0,44 V dan lebih dari 10
6
ketahanan siklus di bawah ±4 V pada kondisi P/E 100 ns. Secara keseluruhan, karya ini membuka dunia baru untuk perangkat feroelektrik oksida amorf, yang menjanjikan untuk NVFET multi-gerbang (berbentuk sirip, nanowire, atau nanosheet) dengan potensi pitch sirip berskala nano dalam sistem VLSI.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
