Memanfaatkan Dipol Rongga Oksigen Beralih untuk Transistor Ferroelektrik ZrO₂ yang Tahan Lama
Abstrak
Penelitian ini mengkaji pengaruh penganalan termal cepat (RTA) pasca-pengolahan dan ketebalan ZrO₂ terhadap polarisasi P serta karakteristik listrik kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dan FeFET, masing-masing. Setelah RTA pada suhu 350 hingga 500 °C, kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dengan film amorf ZrO₂ tebal 2,5 dan 4 nm menunjukkan polarisasi P yang stabil. Diajukan bahwa perilaku ferroelektrik berasal dari migrasi dipol yang dibangun oleh rongga oksigen dan muatan negatif, yang dikendalikan oleh tegangan. FeFET dengan ZrO₂ tebal 2,5 nm, 4 nm, dan 9 nm menunjukkan jendela memori (MW) yang memadai dengan pulsa program/hapus 100 ns. FeFET ZrO₂ tebal 4 nm memiliki karakteristik kelelahan dan retensi yang jauh lebih baik dibandingkan perangkat dengan ZrO₂ tebal 2,5 nm dan 9 nm. Performa retensi FeFET ZrO₂ dapat ditingkatkan dengan kenaikan suhu RTA. MW sekitar 0,46 V di-ekstrapolasi dapat dipertahankan selama 10 tahun untuk perangkat dengan ZrO₂ tebal 4 nm.
Latar Belakang
Transistor efek medan ferroelektrik (FeFET) berbasis pol-HfO₂ terdoping telah menarik minat besar dalam aplikasi memori non-volatil (NVM) karena kompatibilitas proses CMOS [1]. Meskipun performa listrik yang memadai telah ditunjukkan dalam FeFET berbasis HfO₂ terdoping [2], beberapa keterbatasan dasar masih menghambat aplikasi praktisnya, termasuk anggaran termal tinggi dari penganalan 500 °C yang diperlukan untuk membentuk fase kristal ortombik dan arus kebocoran yang tidak diinginkan di sepanjang batas kristal seiring dengan penurunan ketebalan ferroelektrik. Ferroelektrik telah banyak diamati dalam berbagai materi, misalnya nanowira Sb₂S₃ [3], film GaFeO₃ [4], film LaAlO₃-SrTiO₃ [5], dan amorf Al₂O₃ yang mengandung nanokristal [6, 7]. Baru-baru ini, kami melaporkan FeFET dengan isolator gate ZrO₂ yang sebagian kristal berfungsi sebagai NVM dan sinapse analog [8]. Meskipun transistor ZrO₂ menunjukkan performa listrik yang memadai dengan ketebalan yang lebih tipis dibandingkan HfO₂ terdoping yang telah dilaporkan, mekanisme di balik ferroelektrik dalam film ZrO₂ masih belum jelas. Penting untuk mengungkapkan asal-usul polarisasi P yang bisa diubah untuk mengevaluasi batas performa FeFET ZrO₂.
Dalam penelitian ini, FeFET TaN/ZrO₂/Ge dengan isolator tebal 2,5 nm, 4 nm, dan 9 nm diproduksi. Polarisasi P yang bisa diubah dalam kapasitor TaN/ZrO₂/Ge diasumsikan berasal dari migrasi rongga oksigen dan muatan negatif yang dikendalikan oleh tegangan. Pengaruh ketebalan ZrO₂ dan penganalan termal cepat (RTA) pasca-pengolahan terhadap P dari TaN/ZrO₂/Ge serta jendela memori (MW), daya tahan, dan karakteristik retensi FeFET dikaji.
Metode
FeFET dengan isolator gate ZrO₂ diproduksi pada substrat n-Ge(001) berukuran 4 inci menggunakan proses serupa dengan [8, 9]. Setelah pembersihan pra-gate dalam larutan HF yang dicampur (1:50), wafer Ge dimasukkan ke dalam ruang deposisi lapisan atom (ALD). Film ZrO₂ dengan ketebalan 2,5 nm, 4 nm, dan 9 nm ditetapkan pada suhu 250 °C menggunakan TDMAZr dan H₂O sebagai prekursor Zr dan O, masing-masing. Elektroda gate TaN tebal 100 nm ditetapkan dengan sputter reaktif. Setelah pembentukan elektroda gate, wilayah sumber/saluran (S/D) diimplantasi dengan BF₂⁺ pada dosis 1 × 10¹⁵ cm⁻² dan energi 20 keV. Kontak S/D nikel (Ni) tebal total 15 nm dibentuk melalui proses lift-off. Terakhir, RTA dilakukan pada 350, 450, dan 500 °C selama 30 detik.
Gambar 1a menunjukkan skematis transistor yang diproduksi. Gambar 1b–d menunjukkan gambar mikroskop transmisi elektron (TEM) dari sampel TaN/ZrO₂/Ge dengan ZrO₂ tebal 2,5, 4, dan 9 nm, masing-masing. Semua sampel mengalami RTA pada 500 °C selama 30 detik. Sampel ZrO₂ tebal 2,5 nm tetap merupakan film isolator setelah penganalan. Untuk sampel 4 nm, meskipun beberapa nanokristal teramati, ZrO₂ tetap menjadi lapisan amorf. Sementara kristalisasi penuh terjadi pada film ZrO₂ tebal 9 nm. Secara menarik, lapisan antarmuka (IL) GeOₓ ada antara ZrO₂ dan wilayah saluran Ge, meskipun terlalu tipis untuk diamati dalam gambar TEM.
a Skematis FeFET TaN/ZrO₂/Ge yang diproduksi. b, c, dan d gambar HRTEM dari tumpukan TaN/ZrO₂/Ge dengan berbagai ketebalan ZrO₂. Sampel mengalami RTA pada 500 °C selama 30 detik
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan kurva P versus tegangan (V) untuk kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dengan berbagai ketebalan ZrO₂ dan berbagai suhu penganalan. Garis padat dengan berbagai warna mewakili loop minor dengan berbagai rentang pengayunan tegangan (Vrange). Frekuensi pengukuran adalah 1 kHz. Perangkat ZrO₂ tebal 2,5 nm dan 4 nm dapat menunjukkan ferroelektrik yang stabil setelah RTA pada 350 °C. Gambar 3 memplot P sisa (Pr) sebagai fungsi dari kurva rentang pengayunan V untuk kapasitor yang dianali pada berbagai suhu.
Karakteristik P versus V yang diukur dari kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dengan berbagai ketebalan ZrO₂ dan berbagai suhu penganalan
Perbandingan Pmax sebagai fungsi dari Vrange untuk kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dengan berbagai ketebalan ZrO₂ dan berbagai suhu penganalan
Gambar 3 menunjukkan perbandingan Pmax sebagai fungsi dari Vrange untuk kapasitor TaN/ZrO₂/Ge dengan berbagai ketebalan ZrO₂ dan berbagai suhu RTA. Untuk perangkat ZrO₂ tebal 4 nm, seiring dengan kenaikan suhu penganalan dari 350 hingga 450 °C, diperlukan Vrange yang lebih besar untuk mendapatkan Pmax tetap. Ini disebabkan oleh suhu penganalan yang lebih tinggi menghasilkan lapisan antarmuka (IL) yang lebih tebal di antara antarmuka Ge/ZrO₂ dan ZrO₂/TaN, yang mengakibatkan ketebalan ekivalen kapasitansi terpadu (CET) yang lebih besar. Untuk kapasitor ZrO₂ tebal 2,5 nm, sampel dengan penganalan 500 °C memiliki Vrange yang lebih rendah dibandingkan sampel penganalan 350 °C dengan Pmax yang sama. Meskipun IL menjadi lebih tebal seiring dengan kenaikan suhu RTA, sebagian ZrO₂ dikonsumsi oleh penyerapan oksigen dan difusi antar muka di interface. Untuk perangkat ZrO₂ yang sangat tipis, yang terakhir mendominasi. Dibandingkan kapasitor ZrO₂ tebal 2,5 nm, diperlukan Vrange yang jauh lebih besar untuk mencapai Pmax yang serupa. Namun, kapasitor ZrO₂ tebal 9 nm tidak menunjukkan Vrange yang lebih tinggi dibandingkan perangkat 4 nm. Ini disebabkan oleh kristal ZrO₂ yang memiliki nilai κ yang jauh lebih tinggi dibandingkan film amorf, yang secara signifikan mengurangi CET perangkat 9 nm.
Gambar 4a menunjukkan evolusi yang diekstrak dari Pr positif dan negatif, masing-masing ditandai dengan \( {P}_{\mathrm{r}}^{+} \) dan \( {P}_{\mathrm{r}}^{-} \), untuk kapasitor ZrO₂ tebal 4 nm dengan RTA pada berbagai suhu selama 106 siklus pengayunan yang diukur pada 1 kHz. Perangkat yang dianali pada 350 °C dan 450 °C menunjukkan efek wake-up yang jelas. Tidak ada wake up atau imprint yang diamati untuk kapasitor ferroelektrik ZrO₂ tebal 4 nm yang mengalami penganalan pada 500 °C. Gambar 4b membandingkan Pr sebagai fungsi dari siklus pengayunan untuk perangkat dengan berbagai ketebalan ZrO₂. Kapasitor ferroelektrik ZrO₂ tebal 4 nm mencapai stabilitas daya tahan Pr yang ditingkatkan dibandingkan perangkat 2,5 nm dan 9 nm selama uji daya tahan 106.
aPr versus jumlah siklus pengayunan pulsa ms untuk kapasitor ZrO₂ 4 nm dengan berbagai suhu RTA. bPr versus jumlah siklus pengayunan pulsa ms untuk kapasitor ZrO₂ setelah penganalan pada 500 °C
Pemisahan P diamati dalam kapasitansi ZrO₂ amorf, dan disimpulkan bahwa mekanismenya harus berbeda dari film ferroelektrik pol-HfO₂ terdoping yang telah dilaporkan. Kami mengajukan bahwa mekanisme dasar untuk perilaku ferroelektrik terkait dengan dipol rongga oksigen. Hal yang umum diketahui adalah, ketika logam TaN ditetapkan, lapisan penyerap oksigen Ta akan meningkatkan konsentrasi rongga oksigen di dalam ZrO₂ [10]. Rongga oksigen juga muncul di antarmuka ZrO₂/Ge. Gambar 5 menunjukkan skematis pemisahan P yang bisa diubah dalam TaN/ZrO₂/Ge yang berasal dari migrasi rongga oksigen dan muatan negatif untuk membentuk dipol positif dan negatif. Dispekulasi bahwa muatan negatif dalam ZrO₂ terkait dengan rongga Zr [11], yang mirip dengan yang ada dalam film Al₂O₃ [12]. Migrasi rongga oksigen yang dikendalikan oleh tegangan telah banyak ditunjukkan dalam perangkat memori akses acak resistif [13, 14]. Secara menarik, ini adalah demonstrasi pertama dari transistor non-volatil tiga terminal yang didominasi oleh rongga oksigen yang dikendalikan oleh tegangan.
Skematis mekanisme untuk pemisahan P yang bisa diubah dalam kapasitor ZrO₂, yang disebabkan oleh migrasi rongga oksigen dan muatan negatif yang dikendalikan oleh tegangan untuk membentuk dipol
Histeresis P-V memungkinkan FeFET ZrO₂ untuk mendapatkan MW yang besar dan stabil untuk aplikasi memori non-volatil tertanam (eNVM). Gambar 6 menunjukkan kurva IDS-VGS yang diukur dari FeFET ZrO₂ tebal 2,5, 4, dan 9 nm untuk dua keadaan polarisasi dengan kondisi program/hapus (P/E) 1 μs. Transistor dianali pada 500 °C. Operasi program (hapus) dilakukan dengan memberikan pulsa tegangan positif (negatif) pada gate FeFET ZrO₂, untuk menaikkan (menurunkan) tegangan ambang (VTH). VTH didefinisikan sebagai VGS pada 100 nA·W/L, dan MW didefinisikan sebagai perubahan maksimum dalam VTH. Semua FeFET dengan berbagai ketebalan ZrO₂ memiliki MW di atas 1 V dengan pulsa P/E 1 μs. Untuk mencapai MW yang serupa, diperlukan tegangan hapus yang lebih tinggi untuk FeFET ZrO₂ tebal 9 nm dibandingkan dua transistor lainnya. Terlihat bahwa diperlukan tegangan hapus VGS dengan magnitudo yang lebih besar untuk memperoleh pergeseran I-V yang kurang lebih sama relatif terhadap kurva awal dibandingkan dengan pulsa program VGS. Dispekulasi bahwa rongga oksigen yang berkontribusi terhadap P terutama berasal dari reaksi antara TaN dan ZrO₂, seperti keadaan awal perangkat dalam Gambar 5a. Saat VGS positif (program) diberikan, rongga oksigen menyebar dan menyimpan di lapisan dekat antarmuka ZrO₂/Ge (Gambar 5b), di mana distribusi dipol rongga oksigen sangat berbeda dari keadaan awal. Jadi mudah untuk menggeser kurva I-V ke |VTH| yang lebih tinggi dengan VGS positif. Namun, saat VGS negatif (hapus) diberikan, difusi balik rongga oksigen membawa tumpukan gate kembali ke keadaan aslinya (Gambar 5c). Jadi magnitudo dari tegangan hapus VGS negatif harus ditingkatkan untuk mencapai pergeseran I-V yang setara dengan pulsa program VGS positif.
Kurva IDS-VGS yang diukur dari FeFET ZrO₂ tebal 2,5, 4, dan 9 nm untuk keadaan awal dan dua keadaan polarisasi dengan pulsa P/E 1 μs
Seiring dengan penurunan lebar pulsa P/E menjadi 100 ns, FeFET ZrO₂ masih menunjukkan MW yang memadai, seperti ditunjukkan dalam Gambar 7a. Khususnya, transistor dengan ZrO₂ tebal 2,5 nm yang dianali pada 350 °C mencapai MW sebesar 0,28 V. Gambar 7b memplot MW versus jumlah siklus untuk FeFET dengan berbagai ketebalan ZrO₂ dengan kondisi pulsa P/E 100 ns. Perangkat ZrO₂ tebal 4 nm mencapai performa daya tahan yang signifikan ditingkatkan dibandingkan FeFET ZrO₂ tebal 2,5 nm dan 9 nm, yang menunjukkan efek wake-up yang jelas dan kelelahan dalam 103 siklus.
a Kurva IDS-VGS dari FeFET ZrO₂ tebal 2,5, 4, dan 9 nm untuk dua keadaan polarisasi dengan pulsa P/E 100 ns. Perangkat mengalami RTA pada 500 °C. b FeFET dengan ZrO₂ tebal 4 nm memiliki daya tahan yang ditingkatkan dibandingkan transistor ZrO₂ tebal 2,5 dan 9 nm
Terakhir, pengujian retensi FeFET ZrO₂ dikarakterisasi dan ditunjukkan dalam Gambar 8 dan 9. Gambar 8a menunjukkan evolusi kurva IDS-VGS untuk dua keadaan polarisasi FeFET ZrO₂ tebal 4 nm yang mengalami RTA pada 350, 450, dan 500 °C. Penangkap muatan menyebabkan penurunan perangkat seiring waktu. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 8b, performa retensi perangkat dapat ditingkatkan dengan kenaikan suhu RTA. MW sekitar 0,46 V di-ekstrapolasi dapat dipertahankan selama 10 tahun. Gambar 9 membandingkan karakteristik retensi FeFET dengan berbagai ketebalan ZrO₂. Perangkat ZrO₂ tebal 4 nm memiliki performa retensi yang ditingkatkan dibandingkan transistor dengan ZrO₂ tebal 2,5 dan 9 nm.
a Evolusi kurva IDS-VGS untuk dua keadaan polarisasi FeFET ZrO₂ tebal 4 nm dengan berbagai suhu RTA. b Perangkat ZrO₂ tebal 4 nm yang dianali pada 500 °C memiliki performa retensi yang jauh lebih baik dibandingkan transistor dengan RTA pada suhu lebih rendah
a Evolusi kurva IDS-VGS untuk dua keadaan polarisasi FeFET ZrO₂ tebal 2,5, 4, dan 9 nm yang mengalami RTA pada 500 °C. b Perangkat ZrO₂ tebal 4 nm memiliki performa retensi yang ditingkatkan dibandingkan transistor dengan ZrO₂ tebal 2,5 dan 9 nm
Kesimpulan
Secara singkat, kapasitor ferroelektrik ZrO₂ amorf secara eksperimental telah ditunjukkan, dan ferroelektrik dispekulasi disebabkan oleh migrasi dipol yang dibangun oleh rongga oksigen dan muatan negatif yang dikendalikan oleh tegangan. FeFET dengan ZrO₂ tebal 2,5 nm, 4 nm, dan 9 nm memiliki MW di atas 1 V dengan pulsa P/E 1 μs. Karakteristik kelelahan dan retensi yang ditingkatkan diperoleh dalam FeFET ZrO₂ tebal 4 nm dibandingkan perangkat dengan ZrO₂ tebal 2,5 nm dan 9 nm. Uji retensi menunjukkan bahwa transistor ZrO₂ tebal 4 nm mempertahankan MW 10 tahun yang di-ekstrapolasi sekitar 0,46 V.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
