나노물질
산업 제조
기존의 강유전체 장치는 확장성이 부족합니다. 도핑된 HfO2 박막은 스케일링 문제를 해결하는 데 유망하지만 다결정 특성에 의한 높은 누설 전류와 균일성 문제로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 안정적인 강유전체와 같은 거동은 3.6nm 두께의 비정질 Al2에서 처음으로 입증되었습니다. O3 영화. 비정질 Al2 O3 이 장치는 확장성이 뛰어나 나노미터 규모의 핀 피치로 다중 게이트 비휘발성 전계 효과 트랜지스터(NVFET)를 가능하게 합니다. 또한 낮은 공정 온도, 고주파수(~GHz), 넓은 메모리 창 및 긴 내구성의 장점을 가지고 있어 VLSI 시스템에서 큰 잠재력을 시사합니다. 전환 가능한 편광(P ) 전압 변조된 산소 결손 쌍극자에 의해 유도됨
<섹션 데이터-제목="배경">기존의 페로브스카이트 강유전체(예:PZT)를 기반으로 하는 강유전성 랜덤 액세스 메모리(FeRAM)는 확장할 수 없고 CMOS와 호환되지 않지만 상용 비휘발성 메모리(NVM)[1] 중 하나였습니다. 강유전성은 돼지 대동맥벽[2], Sb2와 같은 다양한 재료에서 널리 관찰되었습니다. S3 나노와이어[3], GaFeO3 필름 [4], 도핑된 폴리-HfO2 필름 [5], 나노결정질 수산화인회석 필름 [6] 및 LaAlO3 -SrTiO3 영화 [7]. 이들 물질 중 도핑된 HfO2 필름은 CMOS 프로세스 호환성으로 인해 NVM 애플리케이션에 대한 특별한 관심을 끌었습니다. 그러나 도핑된 HfO2에서 강유전성을 생성하기 위해서는 다결정 구조가 불가피합니다. , 이것은 다음과 같이 극복해야 할 장치 응용에 대한 장애물을 가져왔습니다:1) 사방정계 결정상을 형성하는 데 필요한 500°C의 열 예산과 관련하여 게이트 마지막 처리와 호환되지 않습니다[8]. 2) 전력 소모는 결정립계를 따라 흐르는 원치 않는 누설 전류로 인해 유발되며, 이는 강유전체 두께의 축소와 함께 기하급수적으로 증가합니다. 최근 이론적인 연구에서 두꺼운 poly-HfO2 (>5 nm)는 산소 결손에 의해 생성된 전기 쌍극자 조립의 장거리 상관 관계에서 올 수 있습니다[9]. 결함 전하 트래핑/디트랩핑 메커니즘은 5nm 두께의 비정질 Al2에서 강유전체와 같은 거동을 생성하는 것으로 관찰되었습니다. O3 그러나 매우 낮은 트래핑/디트래핑 주파수(예:~500Hz)를 겪는 다중 상태 메모리의 경우 [10].
이 연구에서는 3.6nm 두께의 비정질 Al2에서 안정적인 강유전체와 같은 거동을 보여줍니다. O3 전환 가능한 편광(P )는 전압 변조된 산소 결손 쌍극자에 의해 유도되는 것으로 제안됩니다. 비정질 Al2 O3 박막은 나노미터 규모의 핀 피치로 다중 게이트 비휘발성 전계 효과 트랜지스터(NVFET)를 가능하게 하는 낮은 공정 온도와 최대 ~GHz의 작동 주파수의 장점을 가지고 있습니다. 알2 O3 100ns 펄스 폭 프로그램/삭제(P/E) 전압 및 10 6 이상의 NVFET 메모리 P/E 주기 내구성이 입증되었습니다. P에 대한 전극 및 필름 두께의 영향 Al2에서 O3 커패시터도 조사됩니다. 비정질 비휘발성 장치는 VLSI 메모리에서 유망한 미래를 보여줍니다.
비정질 Al2 O3 박막은 원자층 증착(ALD)에 의해 Si(001), Ge(001) 및 TaN/Si 기판에 성장되었습니다. TMA 및 H2 O 증기는 각각 Al 및 O의 전구체로 사용되었습니다. 증착하는 동안 기판 온도는 300 °C로 유지되었습니다. TaN/Ti, TaN 및 W를 포함한 다양한 상부 금속 전극이 Al2에 증착되었습니다. O3 반응성 스퍼터링으로 표면. 리소그래피 패터닝과 건식 에칭으로 전극이 다른 커패시터를 제작했습니다. 350°C에서 30초 동안 급속 열처리(RTA)를 수행했습니다. TaN/Al2가 포함된 NVFET O3 게이트 스택은 Ge(001)에 제작되었습니다. 게이트 형성 후, 소스/드레인(S/D) 영역은 BF2에 의해 주입되었습니다. + 1 × 10 15 cm -2 20 keV의 에너지와 20 nm 두께의 니켈 S/D 금속 전극을 리프트오프 공정으로 형성하였다. 그림 1a 및 b는 제작된 Al2의 개략도를 보여줍니다. O3 커패시터 및 p-채널 NVFET. 전극과 Al2 사이에 계면층(IL)이 있습니다. O3 영화. 그림 1c와 d는 TaN/Al2의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지를 보여줍니다. O3 /G는 서로 다른 비정질 Al2을 가진 스택 O3 두께(t 알로 ) 350°C에서 RTA 후
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조작된 a의 개략도 알2 O3 다양한 전극이 있는 커패시터 및 b 알2 O3 NVFET. ㄷ 그리고 d 제작된 TaN/Al2의 HRTEM 이미지 O3 /G 다른 t 스택 알로 , 비정질 Al2를 보여줍니다. O3 350°C에서 RTA 후 필름
그림 2는 측정된 P를 보여줍니다. 대. 전압 V 비정질 Al2의 특성 O3 t가 다른 커패시터 알로 및 다양한 상부 및 하부 전극. 측정 주파수는 1kHz입니다. 그림 2a–c와 같이 t의 고정 3.6 nm 알로 , TaN/Al2 O3 /G 커패시터는 더 높은 포화 상태를 달성합니다. P (피 토 ) TaN/Ti 및 W 상부 전극이 있는 장치와 비교됩니다. 강유전체와 같은 거동은 계면과 강한 상관관계가 있으며 TaAlOx의 형성이 제안됩니다. TaN과 Al 사이의 IL2 O3 더 많은 산소 결손을 생성하여 더 강한 스위칭에 기여합니다. P , TiAlOx와 비교 및 WAlOx IL. P-V 그림 2d의 곡선은 TaN/Al2 O3 /TaN 커패시터는 훨씬 더 높은 P를 가집니다. 토 TaN/Al2와 비교 O3 /Ge, 이중 TaAlOx IL은 더 높은 산소 결핍 농도를 제공합니다. 동안 P 토 Ge 전극과 비교하여 Si 바닥 전극(그림 2e)보다 훨씬 낮습니다. 이 결과는 Al2 O3 /Si 인터페이스 품질은 Ge 기판을 기반으로 한 장치에 비해 산소 결손이 더 적습니다. 그림 2f는 P-V를 보여줍니다. TaN/Al2의 곡선 O3 (6 nm)/Ge 커패시터, 더 높은 V 표시 ㄷ 거의 동일한 P 토 3.6 nm의 Al2를 사용한 장치와 비교하여 O3 그림 2b의 필름. 닫히지 않은 P -V 루프는 누출이 실제로 존재하기 때문입니다. 0의 전기장에서 큰 오프셋은 항상 큰 전기장에서 발생하고 V의 더 작은 스위핑 범위와 함께 항상 점차적으로 사라지는 것으로 보고되었습니다. [11, 12].
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측정된 P 대 V Al2의 특성 O3 전극이 다른 커패시터. 아 , b , 및 c P 표시 -V TaN/Ti/Al2의 곡선 O3 /Ge, TaN/Al2 O3 /Ge 및 W/Al2 O3 /Ge, 각각 3.6nm t 알로 . d 및 e P 토 Ge 대신에 하부 전극으로 TaN(Si)을 사용함으로써 향상(감소)된다. 에 탄/알2 O3 (6 nm)/Ge 커패시터는 더 높은 V를 가집니다. ㄷ 및 유사한 P 토 b의 3.6nm 두께 장치와 비교 . 지 그리고 h P의 저하가 없는 내구성 측정 r 및 V ㄷ 10 4 이후에 관찰됨 TaN/Al2에 대한 스위핑 사이클 O3 (3.6 nm)/Ge 커패시터
그림 2g 및 h는 positive 및 negative remnant P의 추출된 진화를 보여줍니다. (피 r ) 및 강제 V (V ㄷ ) 값, 각각 10 4 초과 TaN/Al2에 대한 스위핑 사이클 O3 /G 콘덴서. 깨우기, 각인 또는 피로 효과가 관찰되지 않습니다. V ㄷ 장치의 ~1.8V는 E Al2에서 O3 필름은 4~6 MV/cm이고 IL에서 8 MV/cm를 초과할 수 있으며 이는 산소 결손을 구동하기에 충분히 높습니다[13, 14]. 피 토 장치의 범위는 1~5μC/cm 2 입니다. , 3~15×10 12 범위의 적절한 산소 결핍 농도에 해당 cm -2 그들이 더하기 2를 담당한다고 가정합니다.
Al2의 산소 결손과 관련된 강유전체와 같은 행동에 대한 기본 메커니즘 O3 장치가 논의됩니다. 전압 구동 산소 결손의 이동은 저항성 랜덤 액세스 메모리 장치에서 널리 입증되었습니다[15, 16]. 그림 3은 전환 가능한 P의 개략도를 보여줍니다. TaN/Al2에서 O3 /Ge는 전압 변조된 산소 결손과 음전하를 분리하여 전기 쌍극자를 형성함으로써 발생합니다. 움직일 수 있는 산소 결손은 주로 TaAlOx의 형성으로 인해 발생한다고 추론하는 것이 합리적입니다. IL은 초기 상태에서 상단 인터페이스 부근에 위치합니다(그림 3a). 그림 3b와 c는 양수와 음수 P 인가된 전압에서 산소 결손과 음전하 쌍극자의 변조로 각각 형성된다. Al2의 X선 광전자 스펙트럼(XPS) O3 /Ge 및 (Ti, TaN 및 W)/Al2 O3 /G 샘플이 측정되어 그림 4에 나와 있습니다. 모든 금속/Al2용 O3 /Ge 샘플, 금속과 Al 사이에 금속 산화물 IL이 형성됨2 O3 , 이는 Ref.와 일치하는 산소 이온 및 공석의 저장소로 제안됩니다. [17].
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Al2에서 강유전체와 같은 동작 메커니즘의 개략도 O3 커패시터. 전환 가능한 P 쌍극자를 형성하기 위해 산소 결손과 음전하가 이동하기 때문입니다.
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a의 핵심 수준 XPS 스펙트럼 알2 O3 /Ge, b 탄/알2 O3 /Ge, c Ti/Al2 O3 /Ge 및 d W/Al2 O3 /G 샘플
Al2의 전기적 성능 특성화 O3 NVFET를 NVM으로 프로그램(삭제) 작업은 게이트에 양(음) 전압 펄스를 적용하여 임계 전압(V TH ). 그림 5a는 Al2의 선형 영역 전달 특성을 보여줍니다. O3 초기 I에 대한 NVFET 이동 DS -V GS 펄스 폭이 100ns인 ±4V 프로그램(삭제) 전압으로 측정한 곡선. 자, V TH V로 정의됩니다. GS 100 nA⋅W/L에서 MW는 V의 최대 변화로 정의됩니다. TH . 알2 O3 NVFET는 비정질 Al2이지만 0.44V의 MW를 얻습니다. O3 필름의 P가 더 작습니다. r 보고된 도핑된 HfO2보다 영화 [5, 8]. Al2의 최대 10MHz의 높은 작동 주파수 O3 전환 가능한 P를 나타내는 NVFET 메모리 Al2에서 O3 결함 전하 트래핑/디트랩핑이 아니라 전압 구동 산소 결손이 쌍극자를 형성하기 위해 이동하기 때문에 발생합니다. Al2에 프로그램 및 소거 펄스를 교대로 적용했습니다. O3 장치 내구성을 더 연구하기 위해 장치. 그림 5b는 V의 플롯을 보여줍니다. TH 대. 10 6 이상의 심각한 저하 없이 안정적인 MW를 유지할 수 있음을 시사하는 P/E 주기 수 3.6nm 두께의 Al2에 대한 P/E 주기 O3 NVFET.
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아 측정된 나 DS -V GS 3.6nm 두께의 Al2 곡선 O3 초기 및 2개의 분극 상태에 대한 NVFET. 0.44V의 MW가 얻어진다. ㄴ 내구성 측정은 10 6 후에 MW 저하가 관찰되지 않음을 보여줍니다. PER 주기
특히, 비정질 Al2에서 관찰된 강유전체와 같은 거동은 O3 장치는 범용 비정질 산화물, 예를 들어 하프늄 산화물(HfO2 ) 및 산화지르코늄(ZrO2 ).
안정적인 강유전체와 같은 동작은 얇은 비정질 Al2이 있는 커패시터에서 먼저 실현됩니다. O3 절연체. 전환 가능한 P 비정질 Al2에서 O3 커패시터는 P-V로 시연됩니다. 루프 및 NVFET 테스트. 강유전체와 같은 거동은 계면 산소 결손과 이온 쌍극자에서 비롯되는 것으로 제안됩니다. 3.6nm 두께의 Al2 O3 NVFET는 0.44V 및 10 6 이상의 MW를 달성합니다. 100ns P/E 조건에서 ±4V 미만의 사이클 내구성. 대체로 이 작업은 VLSI 시스템에서 잠재적으로 나노 크기의 핀 피치를 가진 다중 게이트(핀 모양, 나노와이어 또는 나노시트) NVFET에 유망한 비정질 산화물 강유전체 장치의 새로운 세계를 열었습니다.
이 기사의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트가 기사에 포함되어 있습니다.
산화알루미늄
원자층 증착
불화붕소 이온
강제 전기장
게르마늄
게르마늄 산화물
고해상도 투과 전자 현미경
드레인 전류
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터
메모리 창
니켈
비휘발성 전계 효과 트랜지스터
잔여 분극
포화 편광
상환 열 어닐링
탄탈 알루미늄 산화물
알루미늄 산화물 두께
탄탈 질화물
게이트 전압
임계 전압
X선 광전자 스펙트럼
나노물질
초록 패턴화 가능한 나노구조를 갖는 대면적 소자의 제조는 광학 또는 전기 소자의 실제 적용에 중요합니다. 이 연구에서는 금속 산화막의 전기분해 반응을 통해 대면적 나노도트(ND) 어레이를 제조하는 쉽고 환경 친화적인 방법을 설명합니다. 다양한 크기와 형태의 ND는 인가 전압, 전기분해 시간 및 ITO(인듐 주석 산화물) 층의 막 두께를 조정하여 얻을 수 있습니다. 50-60 nm 크기의 고밀도 ND는 표면 강화 라만 분광법(SERS)에 적용된 물방울 매질에서 1.5분 동안 150 V에서 25nm 두께의 ITO 필름을 전기분해하여
초록 이 논문은 ZrO2의 두께와 RTA(post-rapid thermal annealing)의 영향을 조사합니다. 양극화 P TaN/ZrO2의 전기적 특성 /Ge 커패시터 및 FeFET 각각. 350 ~ 500°C 범위의 RTA 후 TaN/ZrO2 2.5 및 4 nm 두께의 비정질 ZrO2가 있는 /Ge 커패시터 영화는 안정적인 P를 보여줍니다. . 강유전성 거동은 산소 결손과 음전하에 의해 형성된 전압 구동 쌍극자의 이동에서 비롯된다고 제안됩니다. 2.5 nm, 4 nm 및 9 nm ZrO2의 FeFET 100 ns 프로그램/