Hf1-xZrxO2 게이트 구조의 저전압 작동 2D MoS2 강유전체 메모리 트랜지스터

결과 및 토론

우리는 몇 레이어 MoS₂를 준비했습니다. 벌크 결정의 기계적 박리에 의해 MoS₂를 전송 2 nm Al₂ 위의 나노플레이크 O₃ /6 nm HZO/p ⁺ Si 기판("실험" 섹션에서 자세한 내용 참조). 그림 1a 및 b는 HZO/MoS₂의 3D 개략도 및 단면을 표시합니다. FeFET 구조. HZO/MoS₂의 평면도 SEM(주사 전자 현미경) 이미지 FeFET는 그림 1c에 나와 있습니다. MoS₂의 너비와 길이 채널은 각각 2 μm 및 12 μm입니다. 그림 1d와 같이 MoS₂의 두께는 AFM(Atomic Force Microscopy)을 사용하여 채널을 확인했습니다. 1.57 nm의 측정된 두께는 4개의 MoS₂ 층이 있음을 나타냅니다. [26].

MoS₂의 장치 구조 및 기본 속성 /HZO FeFET. 아 MoS₂의 3차원 개략도 /HZO FeFET. ㄴ MoS₂의 개략 단면도 /HZO FeFET. ㄷ 제작된 MoS₂의 평면도 SEM 이미지 Ti/Au 소스/드레인 전극, HZO 강유전성 게이트 절연체 및 MoS₂가 있는 /HZO FeFET 채널. d c의 빨간색 선을 따라 접촉 모드 AFM을 사용하는 높이 프로필 , MoS₂ 높이 확인 채널.

그림 S1c 및 d에서 볼 수 있듯이 X선 광전자(XPS) 측정을 통해 HZO의 원소 및 결합 조성을 조사했습니다. 피크는 Hf 4f_5/2에 해당하는 19.05 eV, 17.6 eV, 185.5 eV 및 183.2 eV인 것으로 확인되었습니다. , Hf 4f_7/2 , Zr 3d_3/2 및 Zr 3d_5/2 , 각각 [27]. 그림 S1e의 깊이 프로파일을 따른 원자 농도는 Al₂의 분포를 추가로 확인합니다. O₃ /HZO/p ⁺ Si 3층 구조. 위의 모든 사실은 ALD(Atomic Layer Deposition) 시스템을 통해 성장한 HZO 필름이 높은 결정성을 가지고 있음을 확인시켜줍니다.

HZO/MoS₂의 특성을 조사하기 전에 FeFET, Au/2 nm Al₂의 강유전성 거동 O₃ /6 nm HZO/p ⁺ 분극-전압 측정을 사용한 Si 게이트 스택은 그림 2a에 나와 있습니다. 분명히, 우리가 제작한 6 nm HZO/2 nm Al₂ O₃ 커패시터는 분극 전압 히스테리시스 루프(1 kHz에서 측정)를 나타냅니다. 한편, 잔여 분극 P _r 및 보자 전압 V _ㄷ 최대 스위핑 전압이 증가함에 따라 증가하여 P-V 히스테리시스 루프는 마이너 루프에서 메이저 루프로 변환됩니다. 최대 스위핑 전압이 2에서 4 V로 증가함에 따라 P _r 0.66 μC/cm ² 에 도달 , 0.86 μC/cm ² 및 1.1 μC/cm ² , 각각 및 V _ㄷ 각각 1.12 V, 1.9 V 및 2.04 V에 도달합니다. 추출된 P _r 및 V _ㄷ 10 ⁵ 이내 지속적인 DC 스위핑 사이클은 그림 2b 및 c에 나와 있습니다. 분명히 10 ⁵ 이내에 상당한 기상 및 피로 효과가 나타납니다. 사이클은 6 nm HZO/2 nm Al₂에서 관찰됩니다. O₃ 콘덴서. 기상 및 피로는 전기장 아래의 산소 결손의 확산 및 재분배에 기인할 수 있습니다. 피로 효과는 일반적으로 산소 결손과 관련된 결함 부위의 전하 트래핑과 관련이 있습니다[28]. PRphase의 히스테리시스 동작 PRampl의 나비 모양 루프 압전 반응 힘 현미경(PFM)을 사용하여 그림 S1b 및 c에 표시되며, 이는 스위프 바이어스 전압의 함수로 편광 전환을 나타냅니다. 분극-전압 측정과 압전 응답-전압 측정의 접촉 저항이 다른 것을 고려하여 측정된 V _ㄷ 그림 S1b 및 c의 값은 그림 2a에서 얻은 값과 일치하지 않습니다.

아 HZO(6 nm)/Al₂에 대한 P-V 히스테리시스 루프 O₃ (2 nm) 다른 전압 스위핑 범위를 가진 커패시터. (b의 종속성 ) 피 _r 및 c V _ㄷ HZO(6 nm)/Al₂에 대한 사이클링 시 O₃ (2 nm) 커패시터(± ​​4 V/1 kHz 사이클링

또한 게이트 전압의 상승된 스위핑 전압 범위(V _{GS, 범위} ). 일반적으로 다결정 HZO 필름은 다중영역 상태로 존재하며[29], 이들 영역의 보자력장 분포는 가우시안 분포를 만족한다. 따라서 제기된 V에 대한 의존도가 높아져야 합니다. _{GS, 범위} . 강제 제출 E _C 잔류 분극을 0으로 줄일 수 있는 외부 전기장의 값에 해당합니다. 따라서 V _GS ,_범위 HZO 필름의 편광을 전환하는 데 사용되는 관련 보자력 전압 V이 높을수록 더 커집니다. _C . 이것이 HZO 필름의 편광-전압 루프가 더 큰 V로 확장되는 이유입니다. _{GS, 범위} , 그림 2a에서 설명되었습니다. 즉, V가 높아짐에 따라 강화된 분극 강도와 강유전체 스위칭이 발생합니다. _{GS, 범위} , 증가된 V _{GS, 범위} . V에서 _{GS, 범위} =(−2, 2 V), MW는 거의 사라지고 거의 히스테리시스가 없는 특성이 나타나며, 이는 강유전체 스위칭과 전하 트래핑/디 트래핑 사이의 거의 완전한 보상을 의미합니다.

강유전체 스위칭의 효과를 더 조사하기 위해 V _{GS, 범위} (−6, 6 V) 및 (−6.5, 6.5 V)까지 지속적으로 증가했습니다. 측정된 나 _DS -V _GS HZO MoS₂의 곡선 V에서의 FeFET _{GS, 범위} =(−6, 6 V) 및 (−6.5, 6.5 V)는 그림 3a에 나와 있습니다. 마찬가지로 시계 반대 방향 메모리 창은 확장된 V _{GS, 범위} . V에서 _{GS, 범위} =(−6.5, 6.5 V), 반시계 방향 MW는 4 V 이상이고 on/off 비율도 10 ⁷ 으로 증가합니다. , 이는 더 큰 외부 인가 전압에서 향상된 분극 스위칭 때문입니다. 일반적으로 I _DS -V _GS V의 양방향 스위프 중 곡선 _GS 분극 스위칭의 지배적인 효과, 즉 NC 효과[30,31,32]에 의해 수정될 수 있는 임계 전압 이동으로 반시계 방향 히스테리시스가 발생합니다. 개선된 하위 임계값 특성에 대한 추가 연구는 축소된 V 상태에서 다른 장치에서 수행되었습니다. _{GS, 범위} . 측정된 나 _DS -V _GS 추출된 점 SS—I _DS V에서 다른 장치의 곡선 _{GS, 범위} =(−3, 3 V)는 그림 3b에 표시됩니다. V에서 _{GS, 범위} =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET는 SS_For를 나타냅니다. =51.2 mV/decade 및 SS_Rev =각각 66.5 mV/decade. 즉, HZO/MoS₂에서 sub-60 mV/decade의 SS와 0.48 V의 MW를 동시에 달성할 수 있습니다. NCFET와 FeFET를 구별하는 힌트가 될 실온에서의 FeFET.

HZO/MoS₂의 직류(DC) 테스트 드레인 전압(V)일 때 FeFET _DS )는 0.5 V입니다. a 백 게이트 전압의 최대값이 6 V와 6.5 V인 전송 곡선 간의 비교. ㄴ V의 0 ~ -2 V 간격에서 전달 곡선의 확대 보기 _{GS, 범위} =(−3, 3 V). 드레인 전류(I)의 함수로서의 포인트 하위 임계값 기울기(SS) _DS ) HZO/MoS₂ FeFET는 (b ) 삽입. 장치는 SS_For를 나타냅니다. =51.2 mV/dec

알려진 바와 같이 NCFET에서 SS는 음의 게이트 유전체 정전용량(C _인 ), dP의 음의 기울기 세그먼트를 통해 얻을 수 있습니다. /dE <0 강유전체막에 의해 유도되어 게이트 스택 계수(m) <1에 기여합니다. NC 효과[33]의 기본 메커니즘은 강유전체막[34,35,36,37,38]에 의해 생성된 탈분극 필드입니다. 강유전체막의 경계면에서 불완전한 스크리닝으로 인해 잔류 분극 전하가 강유전체막을 가로질러 내부 전기장을 생성할 수 있다고 실험적으로 보고되었습니다[39]. 게이트 스택에 걸친 전압 분포와 증폭된 채널 표면 전위를 "전압 증폭 효과"라고 ​​합니다[40,41,42]. 전압 증폭은 일반적으로 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 채널 표면 전위의 가속된 변화와 후속 부스트 값으로 급격한 ON/OFF 전환과 향상된 I _켜기 /나 _꺼짐 , 각각. 그러나 FeFET의 경우 다른 이야기가 있습니다. 강유전체 정전용량(C _FE ) 및 금속 산화물 반도체 커패시턴스(C _MOS ) [43,44,45], |C일 때 _FE |> C _MOS , 이론적인 총 커패시턴스(C _총계 )이 양수이고 시스템이 안정적이어서 V의 양방향 스위핑 동안 동일한 편광 거동이 나타납니다. _GS 안정적인 히스테리시스가 없는 NCFET. 그러나 개선된 SS와 트랜스컨덕턴스를 가져오는 좋은 매칭은 달성하기가 매우 까다롭습니다. 둘 다 C _MOS 및 C _FE 매우 비선형, 바이어스 종속 커패시터입니다. 또한 |C _FE |> C _MOS 히스테리시스를 피하기 위해 모든 작동 전압 범위에 대해 보장해야 합니다. 대신 한 번 |C _FE | <C _MOS , 이론적인 C _총계 음이고 시스템이 불안정하면 V의 바이스위칭 중에 분리된 분극 동작이 발생해야 합니다. _GS C를 유지하기 위해 _총계 NVM 애플리케이션용 FeFET에서 반시계 방향 히스테리시스를 생성할 수 있는 포지티브. 여기에서 히스테리시스 거동은 분리된 분극 스위칭의 후속 효과라고 언급되며, 이는 히스테리시스 창의 너비가 V _DS . V가 많이 축소된 경우에도 적절한 커패시턴스 매칭으로 _{GS, 범위} =(−3, 3 V), HZO/MoS₂ FeFET는 여전히 명백한 히스테리시스 창과 SS_For의 급격한 전환을 나타냅니다. =51.2 mV/dec에서 동시에 하위 임계값 영역에도 NC 효과(강유전성 분극 효과)가 있음을 나타냅니다. NCFET와 FeFET는 다르지만 FeFET는 60 mV/dec 이하의 깊은 SS를 유지하고 더 높은 I _켜기 /나 _꺼짐 비율도 NC 효과로 인해 발생합니다.

V의 영향 _DS MW의 폭에 대해 주의 깊게 조사되었습니다. 나 _DS -V _GS 다른 V에서 로그 스케일의 곡선 _DS 그림 S3에 특징이 있습니다. 고정된 V에서 _{GS, 범위} =(−2, 2 V), V의 값 _GS I에서 추출 _DS =V의 양방향 스위핑의 경우 70 nA _GS 모두 음의 방향으로 이동합니다. 한편, V _GS 역 스위핑에 비해 훨씬 더 분명하며, 이는 음의 DIBL의 중요한 현상을 나타냅니다. 부정적인 DIBL 효과는 항상 NC 효과와 함께 발생한다는 점에 유의해야 합니다[46, 47].

HZO/MoS₂의 위의 직류(DC) 테스트 후 FeFET, 우리는 다른 P/E V에 대해 측정된 MW를 추가로 수행했습니다. _GS 그림 4a에서 10 ms 너비의 펄스. MW는 최대 변화 ΔV로 정의됩니다. _TH P/E V 이후 _GS 펄스. 펄스 V 동안 _GS 응용 프로그램, 다른 터미널은 V로 고정되었습니다. _S =V _D =0 V. 읽기(R) 작업의 경우 V _GS V를 사용하여 -1 V에서 1 V 범위였습니다. _D =0.5 V 및 V _S =0 V. Fig. 4a와 같이 추출된 MWs는 P/E V _GS 펄스가 증가합니다. 부과된 P/E V _GS 펄스가 ± 3 V일 때 추출된 MW는 0.1 V입니다. 부과된 P/E V일 때 _GS 펄스는 ± 5.5 V, 추출된 MW는 0.275 V입니다. 그림 3a 및 b의 4 V 및 0.48 V 반시계 방향 MW와 비교하여 P/E V 후 추출된 MWs _GS 맥박이 크게 줄어듭니다. 이것은 아마도 공기 중의 높은 습도에 의해 유도된 더 높은 밀도의 트래핑 상태 때문일 수 있습니다[48]. 따라서 전하 트래핑/디 트래핑 메커니즘이 향상되고 시계 반대 방향 히스테리시스 루프가 결국 감소합니다. 또한 HZO/MoS₂의 사이클링 내구성과 데이터 보존을 연구했습니다. 그림 4b에서 ± 5.5 V 높이의 P/E 펄스에서 FeFET. 프로그램 V _GS 펄스는 V와 함께 10 ms 너비였습니다. _S =V _D =0 V. 그림 4b는 측정된 MW를 내구성 사이클의 함수로 보여줍니다. 내구성 주기는 백 게이트 전압 주기적인 P/R/E/R 펄스에 의해 형성됩니다. P, E, R 높이의 백 게이트에 인가된 전압은 각각 +5.5 V, -5.5 V, 0 V 였다. 그리고 P와 E의 펄스 폭은 10 ms였다. 분명히, 0.3 V의 MW는 10 ³ 후에 심각한 저하 없이 유지될 수 있습니다. PER 사이클. 내구 사이클 수가 증가함에 따라 MW는 10 주기 후에 0.38 V로 증가하고 600 주기 후에 다시 0.28 V로 감소합니다. 첫 번째 확장된 MW를 웨이크업 효과(wake-up effect)라고 하고 나중에 축소된 MW를 피로 효과(fatigue effect)라고 합니다. 웨이크업 효과는 도메인 벽 디피닝(de-pinning)에 해당하여 HZO 필름의 전환 가능한 편광 도메인을 증가시킵니다[49]. 피로 효과는 많은 수의 P/E 주기 후에 도메인 벽을 고정하는 새로 주입된 전하에 해당합니다[50]. 실온에서의 데이터 보존은 그림 4c에 나와 있습니다. 여기에서 MW 열화는 10 ⁴ 후에 무시할 수 있습니다. 에스. 따라서 점선 외삽선으로 약 0.3 V의 MW를 10 년 이상 지속할 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 그림 4d에서 볼 수 있듯이 장치는 10 ³ 후에 안정적입니다. ± 3 V 높이의 P/E 펄스에서 사이클. HZO/MoS₂의 안정성 FeFET는 비휘발성 메모리 기술의 응용 분야에 대한 훌륭한 관점을 보여줍니다.

HZO/MoS₂의 메모리 성능 P/E 펄스에서 FeFET. 아 ± 3 V, ± 4 V, ± 5 V, ± 5.5 V 및 ± 6 V 높이의 P/E 펄스에서 추출된 MW(MW). ㄴ P/E 펄스 조건에서 내구성 측정. ㄷ HZO/MoS₂의 보유 특성 FeFET. d HZO/MoS₂의 내구성 10 ³ 용 FeFET ± 3 V 높이

MoS₂를 결합한 FeFET 기반 장치와 성능 지수 비교 강유전체 게이트 유전체는 표 1에 나와 있습니다. 여기에서 장치 구조, 잔류 분극, 보자력 전기장, 히스테리시스 루프 방향, MW, 작동 전압, 내구성 주기 및 유지 시간이 나열됩니다. 우리가 제작한 소자는 6 nm HZO의 가장 얇은 강유전체층과 다른 연구들에 비해 가장 낮은 작동 전압을 나타냄이 분명하다[12,13,14,15,16,17,18], 이는 미래의 2 nm에 중요하다. 또는 BEOL(back end of line) 메모리의 3 nm 공정 노드. 강유전체 층의 두께를 스케일링하여 ± 3 V의 낮은 작동 전압에서 약 0.1 V의 MW를 달성했습니다. 이러한 낮은 작동 전압은 P와 같은 대응물에 비해 HZO 층의 고유 특성에 기인할 수 있습니다. (VDF-TrFE) 또는 HfO₂ , 훨씬 더 두꺼운 두께를 가지고 있습니다. 또한, 우리 장치는 더 낮은 잔류 편광을 가지고 있습니다. P _r 1.1 μC/cm ² 보고된 다른 FeFET와 비교됩니다. FeFET에서 유지 손실의 빠른 감쇠는 탈분극 필드 E의 존재로 인한 것입니다. _깊이 , Al₂의 존재로 인한 불완전한 전하 보상에서 비롯됨 O₃ 층. 여기, E _깊이 잔류 분극 P에 정비례합니다. _r [51]. 따라서 높은 E _ㄷ 낮은 P _r 비율을 E로 만드십시오. _깊이 /이 _ㄷ MoS₂에서 /HZO FeFET는 훨씬 작아서 탈분극 전계 효과와 관련된 유지 손실이 훨씬 적습니다. MoS₂의 유지 성능에도 불구하고 HZO 및 P(VDF-TrFE) 기반 FeFET는 모두 약 10 ⁴ 입니다. s, P(VDF-TrFE) 필름은 150 nm이어야 합니다[17].