전환 가능한 산소 결손 쌍극자에 의해 활성화된 ZrO2 강유전체 전계 효과 트랜지스터

결과 및 토론

그림 2는 P를 보여줍니다. 대 전압(V ) TaN/ZrO₂에 대한 곡선 ZrO₂가 다른 /G 커패시터 두께 및 다양한 어닐링 온도. 다양한 색상의 실선은 다양한 스위핑 전압 범위(V _범위 ). 측정 주파수는 1 kHz입니다. 2.5 nm 및 4 nm ZrO₂ 소자는 350°C에서 RTA 후 안정적인 강유전성을 나타낼 수 있습니다. 그림 3은 나머지 P를 나타냅니다. (피 _r ) 스위핑 V 다양한 온도에서 어닐링된 커패시터의 범위 곡선.

측정된 P 대 V TaN/ZrO₂의 특성 ZrO₂가 다른 /G 커패시터 두께 및 다양한 어닐링 온도

P 비교 _최대 V의 함수로 _범위 TaN/ZrO₂용 ZrO₂가 다른 /G 커패시터 두께 및 다양한 어닐링 온도

그림 3은 P의 비교를 보여줍니다. _최대 V의 함수로 _범위 TaN/ZrO₂용 ZrO₂가 다른 /G 커패시터 두께 및 다양한 RTA 온도. 4 nm ZrO₂의 경우 어닐링 온도가 350°C에서 450°C로 증가함에 따라 더 큰 V _범위 고정 P를 얻으려면 _최대 . 이것은 더 높은 어닐링 온도가 Ge/ZrO₂ 사이에서 더 두꺼운 계면층(IL)을 생성한다는 사실에 기인합니다. 및 ZrO₂ /TaN 인터페이스는 더 큰 통합 커패시턴스 등가 두께(CET)로 이어집니다. 2.5 nm ZrO₂의 경우 커패시터, 500°C 어닐링된 샘플은 더 낮은 V _범위 동일한 P를 갖는 350°C 어닐링 샘플보다 _최대 . IL은 RTA 온도가 증가함에 따라 더 두꺼워지지만 일부 ZrO₂ 계면에서 산소 소거 및 상호 확산에 의해 소모되었습니다. 매우 얇은 ZrO₂용 장치, 후자가 지배적입니다. 2.5 nm ZrO₂와 비교 커패시터, 훨씬 더 큰 V _범위 유사한 P를 달성하는 데 필요합니다. _최대 . 그러나 9 nm ZrO₂ 커패시터가 더 높은 V를 나타내지 않음 _범위 4 nm 장치와 비교합니다. 이것은 수정 ZrO₂ 때문입니다. 훨씬 더 높은 κ 9 nm 장치의 CET를 크게 줄이는 비정질 필름보다 값이 더 높습니다.

그림 4a는 포지티브 및 네거티브 P의 추출된 진화를 보여줍니다. _r , 4 nm- 두꺼운 ZrO₂ 10 ⁶ 이상의 다양한 온도에서 RTA가 있는 커패시터 1 kHz에서 측정된 스위핑 사이클. 350°C 및 450°C에서 어닐링된 장치는 명백한 웨이크업 효과를 나타냅니다. 4 nm ZrO₂에 대해 깨우기 또는 각인이 관찰되지 않음 강유전체 커패시터는 500 °C에서 어닐링을 거쳤습니다. 그림 4b는 P를 비교합니다. _r ZrO₂가 다른 장치에 대한 스위핑 주기의 기능으로 두께. 4 nm ZrO₂ 강유전체 커패시터는 P의 향상된 안정성을 달성합니다. _r 10 ⁶ 동안 2.5 nm 및 9 nm 장치와 비교한 내구성 지구력 테스트.

아 피 _r 대 4 nm ZrO₂에 대한 ms-펄스 스위핑 사이클 수 RTA 온도가 다른 커패시터. ㄴ 피 _r 대 ZrO₂에 대한 ms-펄스 스위핑 사이클 수 500°C에서 어닐링 후 커패시터

스위칭 P 무정형 ZrO₂에서 관찰됨 커패시턴스와 메커니즘이 보고된 도핑된 poly-HfO₂의 메커니즘과 달라야 한다고 추론됩니다. 강유전성 필름. 우리는 강유전성 거동에 대한 기본 메커니즘이 산소 결손 쌍극자와 관련되어 있다고 제안합니다. TaN 금속이 증착됨에 따라 Ta 산소 제거제 층이 ZrO₂ 내부의 산소 결손 농도를 증가시킨다는 것은 잘 알려져 있습니다. [10]. ZrO₂에도 산소 공석이 나타납니다. /G 인터페이스. 그림 5는 전환 가능한 P의 개략도를 보여줍니다. TaN/ZrO₂에서 /G는 양 및 음의 쌍극자를 형성하기 위해 산소 결손과 음전하의 이동에서 비롯됩니다. ZrO₂의 음전하가 있는 것으로 추측됩니다. Al₂에 있는 것과 유사한 Zr 공석[11]과 관련이 있습니다. O₃ 영화 [12]. 전압 구동 산소 결손의 이동은 저항성 랜덤 액세스 메모리 장치에서 널리 입증되었습니다[13, 14]. 특히, 이것은 전압 구동 산소 결손이 지배적인 3단자 비휘발성 트랜지스터의 첫 번째 시연입니다.

전환 가능한 P 메커니즘의 개략도 ZrO₂에서 쌍극자를 형성하기 위해 전압 구동 산소 결손 및 음전하의 이동에 기인하는 커패시터

P-V 히스테리시스는 ZrO₂를 활성화합니다. 임베디드 NVM(eNVM) 애플리케이션을 위한 크고 안정적인 MW를 얻기 위한 FeFET. 그림 6은 측정된 I를 보여줍니다. _DS -V _GS 2.5, 4 및 9 nm ZrO₂의 곡선 1 μs 프로그램/소거(P/E) 조건의 두 가지 편광 상태에 대한 FeFET. 트랜지스터는 500°C에서 어닐링되었습니다. 프로그램(삭제) 동작은 ZrO₂의 게이트에 양(음) 전압 펄스를 인가하여 이루어집니다. FeFET, 임계 전압(V _TH ). V _TH V로 정의됩니다. _GS 100 nA·W/L에서 MW는 V의 최대 변화로 정의됩니다. _TH . 다양한 ZrO₂를 포함하는 모든 FeFET 두께는 1 μs P/E 펄스로 1 V 이상의 MW를 가집니다. 유사한 MW를 달성하려면 9 nm ZrO₂에 대해 더 높은 소거 전압이 필요합니다. FeFET는 다른 두 트랜지스터와 비교됩니다. 더 큰 크기의 삭제 V _GS I-V의 대략 동일한 이동을 얻기 위해 필요합니다. 프로그램 V와 비교한 초기 곡선에 대한 상대적 _GS . 산소 결손이 P에 기여하는 것으로 추측됩니다. 주로 TaN과 ZrO₂ 사이의 반응에서 나옵니다. , 그림 5a의 장치 초기 상태와 같습니다. 긍정적인 V로 _GS (프로그램)이 적용되면 산소 결손이 확산되어 ZrO₂ 근처의 층에 축적됩니다. /Ge 인터페이스(그림 5b)에서 산소 결손 쌍극자의 분포가 초기 상태와 상당히 다릅니다. 따라서 I-V 더 높은 |V로 곡선 _TH | 긍정적인 V _GS . 그러나 음수 V _GS (삭제)가 적용되면 산소 결손의 역확산이 게이트 스택을 원래 상태로 되돌립니다(그림 5c). 따라서 음의 지우기 V의 크기는 _GS I-V의 등가 이동을 달성하려면 증가해야 합니다. 긍정적인 프로그램 V _GS .

측정된 나 _DS -V _GS 2.5, 4 및 9 nm 두께의 ZrO₂의 곡선 1 μs P/E 펄스의 초기 및 2개의 편광 상태용 FeFET

P/E 펄스 폭이 100 ns로 감소함에 따라 ZrO₂ FeFET는 그림 7a에서와 같이 여전히 적절한 MW를 보여줍니다. 특히, 트랜지스터는 2.5 nm ZrO₂ 350°C에서 어닐링된 0.28 V의 MW를 달성합니다. 그림 7b는 다양한 ZrO₂를 포함하는 FeFET의 MW 대 사이클 수를 보여줍니다. 100 ns P/E 펄스 조건의 두께. 4 nm ZrO₂ 장치는 2.5 nm 및 9 nm ZrO₂에 비해 현저히 향상된 내구성 성능을 달성합니다. 10 ³ 이내의 명백한 웨이크업 효과와 피로를 나타내는 FeFET 주기.

아 나 _DS -V _GS 2.5, 4 및 9 nm 두께의 ZrO₂의 곡선 100 ns P/E 펄스가 있는 두 가지 편광 상태에 대한 FeFET. 장치는 500°C에서 RTA를 거쳤습니다. ㄴ 4 nm ZrO₂의 FeFET 2.5 및 9 nm ZrO₂에 비해 내구성이 향상되었습니다. 트랜지스터

마지막으로 ZrO₂의 유지 테스트 FeFET는 특성화되고 그림 2에 나와 있습니다. 8 및 9. 그림 8a는 I의 진화를 보여줍니다. _DS -V _GS 4 nm ZrO₂의 두 가지 편광 상태에 대한 곡선 FeFET는 350, 450 및 500°C에서 RTA를 거쳤습니다. 전하 트래핑은 시간이 지남에 따라 장치의 감소로 이어집니다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 디바이스의 유지 성능은 RTA 온도의 증가에 따라 향상될 수 있다. ~ 0.46 V의 MW는 10 년 동안 유지되도록 외삽됩니다. 그림 9는 ZrO₂가 다른 FeFET의 유지 특성을 비교합니다. 두께. 4 nm ZrO₂ 이 장치는 2.5nm 및 9 nm 두께의 ZrO₂를 사용하는 트랜지스터에 비해 유지 성능이 향상되었습니다. .

아 나의 진화 _DS -V _GS 4 nm ZrO₂의 두 가지 편광 상태에 대한 곡선 RTA 온도가 다른 FeFET. ㄴ 4 nm ZrO₂ 500°C에서 어닐링된 디바이스는 더 낮은 온도에서 RTA를 사용하는 트랜지스터에 비해 훨씬 더 나은 유지 성능을 가집니다.

아 나의 진화 _DS -V _GS 2.5, 4, 9 nm 두께의 ZrO₂에 대한 두 가지 편광 상태에 대한 곡선 FeFET는 500°C에서 RTA를 거쳤습니다. ㄴ 4 nm ZrO₂ 이 장치는 2.5nm 및 9 nm 두께의 ZrO₂를 사용하는 트랜지스터에 비해 유지 성능이 향상되었습니다.