Hf₁₋ₓZrₓO₂ 게이트를 가진 초저전압 2D MoS₂ 강유전체 메모리 트랜지스터로 CMOS 호환성 확보
요약
강유전체 전계효과 트랜지스터(FeFET)는 유망한 동작 속도와 내구성으로 인해 흥미로운 비휘발성 메모리 기술로 부상했다. 그러나 분극 반전에 판독보다 높은 전압이 필요하여 셀 쓰기의 전력 소모를 저해한다. 여기서는 낮은 동작 전압으로 CMOS 호환 FeFET 셀을 보고한다. 강유전체 Hf1-xZrxO2(HZO) 박막을 엔지니어링하여 음의 정전용량(NC) 게이트 유전체를 형성함으로써 몇 층 이황화 몰리브덴(MoS2) FeFET에서 분극 영역의 반시계 방향 히스테리시스 루프를 생성한다. 불안정한 음의 커패시터는 본질적으로 서브서모이온 스윙 비율을 지원하여 동작 전압의 절반 훨씬 미만인 히스테리시스 창으로 강유전체 분극 전환을 가능하게 한다. FeFET는 10⁷ 이상의 높은 온/오프 전류비와 최소 프로그램(P)/지우기(E) 전압 3V에서 0.1V의 반시계 방향 메모리 창(MW)을 보인다. 견고한 내구성(10³ 사이클)과 유지 특성(10⁴초)도 입증되었다. 우리 결과는 HZO/MoS2 강유전체 메모리 트랜지스터가 크기와 전압 확장 가능한 비휘발성 메모리 응용에서 새로운 기회를 달성할 수 있음을 보여준다.
배경
칩 내 시스템(SoC) 임베디드 메모리 시장은 현재 엄청난 성장의 시대에 있으며, 이는 메모리가 더 빠른 동작, 더 작은 셀 크기, 더 적은 전력 소비를 달성할 수 있어야 함을 요구한다[1-6]. 2011년 강유전체 하프늄 산화물 발견[7]으로 인해 강유전체 메모리가 가장 유망한 후보 중 하나로 재조명되고 있다.
지난 수십 년간 FeFET는 메모리 동작을 위한 저전압 요구사항, 공정 단계의 단순성, 최소한의 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 통합 공정, 제한된 오염 우려 등 모든 측면에서 우수한 성능을 보이지 못했다[8-11]. 이를 해결하기 위해 최근 2D FeFET 비휘발성 메모리(NVM)에 대한 엄청난 조사가 PZT, P(VDF-TrFE) 폴리머[12-18] 등 다양한 강유전체 소재를 기반으로 수행되었는데, 이는 '무어 이상 시대'에서 2D 소재의 유망한 특성 때문이다. FeFET에서 트랜지스터 게이트 스택에 통합된 강유전체 소재의 두 안정한 자발 분극 상태는 적용된 축소된 P/E 게이트 전압에 의해 가능해진 제어 가능한 임계 전압을 통해 데이터 저장에 활용된다. PZT/MoS2 FeFET에서 재현 가능한 히스테리시스 거동, 10⁴의 높은 온/오프 비율, 10⁴초까지의 좋은 유지 특성, 안정적인 스위칭 동작이 달성되었음이 보고되었다[19]. 주목할 점은 n형 P(VDF-TrFE) 폴리머/MoS2 FeFET에서 최대 625cm²/V·s 이동도, ±26V 게이트 전압 범위에서 16V의 큰 MW, 8×10⁵의 높은 온/오프 비율도 입증되었다[15]. 그러나 CMOS 호환성, 스케일링 능력, 강유전체와 2D 소재 간 계면 상태 등 실용적 응용을 방해할 수 있는 많은 근본적 문제가 있다. 강유전체 하프늄 산화물은 우수한 CMOS 호환성과 스케일링 능력을 가진 새로운 강유전체 소재로, 향후 5-10년 내 서브-5nm 기술 노드에서 고급 FeFET NVM에 기여할 수 있다[20]. 따라서 HfO2 기반 유전체 스택이 2D FeFET에 다수 통합되어 음의 정전용량 전계효과 트랜지스터(NCFET)를 목표로 서브-60mV/데케이드 기울기와 히스테리시스 없는 특성으로 가파른 ON/OFF 스위칭을 달성하고자 했다[21-26]. 교대 2D 채널 소재를 가진 NC 유전체 스택 기반의 대규모 실험이 환상적인 결론을 도출했으나, NCFET와 FeFET 구분의 필요성을 강조했다. MoS2와 강유전체 HZO 기반 단일 트랜지스터 강유전체 메모리의 물리학과 소자 기술 실행 가능성에 대한 체계적 조사가 여전히 부족하다.
본 연구에서는 몇 층 HZO MoS2 트랜지스터 FeFET를 제안했다. 이는 게이트 스택 엔지니어링에 의한 NC 효과로 축소된 P/E 전압 하에서 P/E 전압 스케일링이 가능하다. 반시계 방향 MW 0.1V와 서브-60mV/데케이드 기울기가 HZO MoS2 FeFET에서 달성되었음을 실험적으로 입증했는데, 이는 강유전체 쌍극자의 빠른 반전에 의한 2D 채널의 국소 캐리어 밀도 변조에 기인할 수 있다. 드레인 전압 증가에 따른 HZO/MoS2 FeFET 히스테리시스 감소를 음의 드레인 유도 장벽 낮춤(DIBL) 효과로 해석했다. 또한 HZO MoS2 FeFET의 유지, 내구성 특성, 드레인 전압에 대한 임계 전압 의존성을 체계적으로 연구하여 HZO MoS2 FeFET NVM 설계와 실용적 응용을 위한 실행 가능한 경로를 열었다.
방법
6nm Hf1-xZrxO2 박막과 2nm Al2O3를 p⁺형 Si 기판에 ALD로 300°C에서 증착했다. Hf 전구체로 [(CH3)2N]4Hf(TDMAHf), Zr 전구체로 [(CH3)2N]4Zr(TDMAZr), 산화제 전구체로 H2O 증기를 사용했다. 이후 기판을 N2 분위기에서 450°C로 30초 급속 열 어닐링(RTA)했다. 그 후 몇 층 MoS2 플레이크를 기계적 박리법으로 박리하여 기판에 전사했다. HZO(6nm)/Al2O3(2nm) 증착에 사용된 p⁺형 Si 기판 직경은 6인치다. 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) A5 레지스트에서 접점 패드를 패터닝하기 위해 전자빔 리소그래피(EBL)를 사용했다. 스핀 파라미터, 베이킹 파라미터, 이미징 파라미터는 각각 500rpm(9초)+4000rpm(40초), 170°C(5분), MIBK:IPA=1:3(15초)이다. 이후 소스/드레인 전극(Ti/Au, 5/65nm 두께)을 전자빔 증착(EBE) 시스템으로 증착하고 아세톤 용액으로 식각했다. 리프트오프 후 소자를 300°C에서 2시간 어닐링하여 접촉을 향상시켰다. 프로브 스테이션과 마이크로매니퓰레이터로 제작된 MoS2/HZO 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성 분석을 수행했다. 백게이트 전압(VGS)을 p형 고도핑 Si 기판에 인가했다. 반도체 특성 분석 시스템(PDA)을 사용하여 소스-드레인 전압(VDS), 백게이트 전압(VGS), 소스-드레인 전류(IDS)를 측정했다.
결과 및 논의
벌크 결정의 기계적 박리법으로 몇 층 MoS2를 제조하고 2nm Al2O3/6nm HZO/p⁺형 Si 기판에 MoS2 나노플레이크를 전사했다(자세한 내용은 '실험' 섹션 참조). 그림 1a, b는 HZO/MoS2 FeFET 구조의 3D 개략도와 단면도다. 그림 1c는 HZO/MoS2 FeFET의 탑뷰 주사전자현미경(SEM) 이미지다. MoS2 채널 폭과 길이는 각각 2μm, 12μm다. 그림 1d와 같이 MoS2 채널 두께를 원자간력현미경(AFM)으로 확인했다. 측정된 1.57nm 두께는 4층 MoS2 존재를 나타낸다[26].
MoS2/HZO FeFET 소자 구조 및 기본 특성. a MoS2/HZO FeFET 3D 개략도. b MoS2/HZO FeFET 단면 개략도. c Ti/Au 소스/드레인 전극, HZO 강유전체 게이트 절연체, MoS2 채널을 가진 제작된 MoS2/HZO FeFET 탑뷰 SEM 이미지. dc의 빨간 선을 따른 접촉 모드 AFM 높이 프로파일로 MoS2 채널 높이 검증
그림 S1c, d와 같이 HZO의 원소 및 결합 조성을 X선 광전자 분광법(XPS) 측정으로 조사했다. 피크는 19.05eV, 17.6eV, 185.5eV, 183.2eV에서 발견되며 각각 Hf 4f5/2, Hf 4f7/2, Zr 3d3/2, Zr 3d5/2에 해당한다[27]. 그림 S1e의 깊이 프로파일 원자 농도는 Al2O3/HZO/p⁺형 Si 삼층 구조 분포를 추가로 확인한다. 이 모든 것이 우리 ALD 시스템으로 성장한 HZO 박막이 고결정성임을 확인한다.
HZO/MoS2 FeFET 특성 분석 전, Au/2nm Al2O3/6nm HZO/p⁺형 Si 게이트 스택의 분극-전압 측정을 이용한 강유전체 거동을 그림 2a에 보였다. 분명히 제작된 6nm HZO/2nm Al2O3 커패시터는 분극-전압 히스테리시스 루프를 보인다(1kHz에서 측정). 한편 잔류 분극 Pr와 보자력 전압 Vc는 최대 스위핑 전압 증가에 따라 증가하여 P-V 히스테리시스 루프가 마이너 루프에서 메이저 루프로 변환됨을 암시한다. 최대 스위핑 전압이 2V에서 4V로 증가함에 따라 Pr은 각각 0.66, 0.86, 1.1μC/cm²에 도달하고 Vc는 각각 1.12V, 1.9V, 2.04V에 도달한다. 10⁵ 지속적인 DC 스위핑 사이클 내 추출된 Pr와 Vc 의존성을 그림 2b, c에 보였다. 분명히 6nm HZO/2nm Al2O3 커패시터에서 10⁵ 사이클 내 유의미한 웨이크업과 피로 효과가 관찰된다. 웨이크업과 피로는 전기장 하에서 산소 공공의 확산과 재분배에 기인할 수 있다. 피로 효과는 일반적으로 산소 공공과 관련된 결함 부위에서의 전하 포획과 연관된다[28]. PR 위상의 히스테리시스 거동과 PR 진폭의 나비 모양 루프가 압전 반응 힘 현미경(PFM)으로 그림 S1b, c에 표시되어 스위핑 바이어스 전압 함수로서 분극 스위칭을 나타낸다. 분극-전압 측정과 압전 반응-전압 측정 간 다른 접촉 저항을 고려할 때 그림 S1b, c의 측정된 Vc는 그림 2a의 값과 완전히 일치하지 않는다.
a 다른 전압 스위핑 범위에 대한 HZO(6nm)/Al2O3(2nm) 커패시터의 P-V 히스테리시스 루프. (b) Pr과 c Vc의 사이클링 의존성(±4V/1kHz 사이클링)
또한 게이트 전압 스위핑 범위(VGS,range) 증가에 따라 MW 증가가 관찰된다. 보통 다결정 HZO 박막은 다중 도메인 상태로 존재하며[29], 이 도메인의 보자력 분포는 가우시안 분포를 만족한다. 따라서 증가된 VGS,range에 대한 의존성 증가가 있어야 한다. 보자력 EC는 잔류 분극을 0으로 줄일 수 있는 외부 전기장 값에 해당한다. 따라서 HZO 박막에서 분극을 스위칭하는 데 사용되는 VGS,range는 더 높은 관련 보자력 전압 VC와 함께 커진다. 이것이 HZO 박막의 분극-전압 루프가 더 큰 VGS,range로 확장되는 이유이며 그림 2a에서 입증되었다. 즉, 증가된 VGS,range로 향상된 분극 강도와 강유전체 스위칭이 발생하여 앞서 언급한 확장된 반시계 방향 MW 현상을 초래한다. VGS,range = (-2, 2V)에서 MW는 거의 사라지고 거의 히스테리시스 없는 특성이 나타나며, 이는 강유전체 스위칭 효과와 전하 포획/탈포획 효과 간의 거의 완전한 보상을 의미한다.
강유전체 스위칭 효과를 추가 조사하기 위해 VGS,range를 (-6, 6V)와 (-6.5, 6.5V)로 지속적으로 증가시켰다. VGS,range = (-6, 6V)와 (-6.5, 6.5V)에서 HZO MoS2 FeFET의 측정된 IDS-VGS 곡선을 그림 3a에 보였다. 유사하게 반시계 방향 메모리 창은 확장된 VGS,range로 증가한다. VGS,range = (-6.5, 6.5V)에서 반시계 방향 MW는 4V 이상이고 온/오프 비율도 10⁷로 증가하는데, 이는 더 큰 외부 인가 전압 하에서 향상된 분극 스위칭 때문이다. 일반적으로 IDS-VGS 곡선에서 VGS 양방향 스위핑 동안 나타나는 히스테리시스 거동의 근본 메커니즘은 임계 전압 이동이며, 이는 분극 스위칭의 주요 효과, 즉 NC 효과[30-32]로 수정될 수 있어 반시계 방향 히스테리시스를 초래한다. 축소된 VGS,range 하에서 향상된 서브임계 특성에 대한 추가 연구를 다른 소자에서 수행했다. VGS,range = (-3, 3V)에서 다른 소자의 측정된 IDS-VGS와 추출된 점 SS-IDS 곡선을 그림 3b에 도시했다. VGS,range = (-3, 3V)에서 HZO/MoS2 FeFET가 SSFor = 51.2mV/데케이드와 SSRev = 66.5mV/데케이드를 각각 나타냄이 입증되었다. 즉, 실온에서 HZO/MoS2 FeFET에서 서브-60mV/데케이드 SS와 0.48V MW를 동시에 달성할 수 있으며, 이는 NCFET와 FeFET 구분의 힌트가 될 것이다.
드레인 전압(VDS) 0.5V에서 HZO/MoS2 FeFET의 직류(DC) 테스트. a 백게이트 전압 최댓값 6V와 6.5V 간의 전달 곡선 비교. b VGS,range = (-3, 3V)에서 0~ -2V 구간 전달 곡선 확대. 점 서브임계 기울기(SS)를 드레인 전류(IDS) 함수로 나타낸 것(b 인셋). 소자는 SSFor = 51.2mV/데케이드 나타냄
알려진 바와 같이 NCFET에서 강유전체 박막에 의해 유도된 음의 게이트 유전체 정전용량(Cins) 통합으로 실온에서 SS가 60mV/데케이드보다 작아질 수 있다. 이는 분극-전기장 곡선의 음의 기울기 구간 dP/dE < 0을 통해 얻어지며 게이트 스택 팩터(m) < 1에 기여한다. NC 효과[33]의 근본 메커니즘은 강유전체 박막에 의해 생성된 탈분극 장[34-38]이다. 강유전체 박막 계면에서 불완전한 스크리닝으로 인해[39] 잔류 분극 전하가 외부 인가 전압과 반대 방향의 내부 전기장을 강유전체 박막 전체에 생성할 수 있으며, 이는 게이트 스택 전체 전압 재분배와 증폭된 채널 표면 전위를 초래하여 '전압 증폭 효과'[40-42]라 명명된다. 전압 증폭은 일반적으로 채널 표면 전위의 가속된 변화와 후속 부스트된 값 두 부분으로 나눌 수 있으며, 각각 가파른 ON/OFF 스위칭과 향상된 ION/IOFF를 제공한다. 그러나 FeFET에는 또 다른 이야기가 있다. 강유전체 정전용량(CFE)과 금속산화막 반도체 정전용량(CMOS) 간의 정전용량 매칭 개념[43-45]에 따르면, |CFE| > CMOS일 때 이론적 총 정전용량(Ctotal)은 양수이고 시스템은 안정적이며, VGS 양방향 스위핑 동안 동일한 분극 거동과 안정적인 히스테리시스 없는 NCFET가 결과로 나타난다. 그러나 좋은 매칭으로 향상된 SS와 트랜스컨덕턴스 달성은 매우 까다로운데, CMOS와 CFE 모두 매우 비선형적이고 바이어스 의존적인 커패시터이기 때문이다. 또한 |CFE| > CMOS는 히스테리시스를 피하기 위해 모든 동작 전압 범위에서 보장되어야 한다. 대신 |CFE| < CMOS가 되면 이론적 Ctotal은 음수가 되고 시스템은 불안정해지며, VGS 양방향 스위칭 동안 분리된 분극 거동이 발생하여 Ctotal을 양수로 유지해야 하는데, 이는 NVM 응용을 위한 FeFET에서 반시계 방향 히스테리시스를 생성할 수 있다. 여기서는 히스테리시스 거동이 분리된 분극 스위칭의 후속 효과임을 언급하며, 이는 히스테리시스 창 폭이 정전용량 매칭 개념에 기반하여 쉽게 수정될 수 있음을 의미한다. 예를 들어 VDS 변동으로 조작될 수 있다. 적절한 정전용량 매칭으로 훨씬 축소된 VGS,range = (-3, 3V)에서도 HZO/MoS2 FeFET는 명백한 히스테리시스 창을 보이며 동시에 가파른 스위칭 SSFor = 51.2mV/데케이드를 나타내는데, 이는 서브임계 영역에서도 NC 효과(강유전체 분극 효과)가 존재함을 추가로 시사한다. NCFET와 FeFET는 다르지만 FeFET도 비교적 작은 MW로 로직 소자로 채택될 수 있으며, NC 효과로 인해 깊은 서브-60mV/데케이드 SS와 더 높은 ION/IOFF 비율도 유지할 수 있다.
VDS가 MW 폭에 미치는 영향을 면밀히 조사했다. 다른 VDS 하에서 로그 스케일의 IDS-VGS 곡선을 그림 S3에 특성화했다. 고정된 VGS,range = (-2, 2V)에서 IDS = 70nA에서 추출된 VGS 값이 VGS 양방향 스위핑 모두 음 방향으로 이동함이 나타난다. 동시에 순방향 스위핑의 변동이 역방향 스위핑보다 훨씬 더 명백함이 입증되어 유의미한 음의 DIBL 현상을 나타낸다. 음의 DIBL 효과는 항상 NC 효과와 함께 발생함에 유의해야 한다[46, 47].
위 HZO/MoS2 FeFET 직류(DC) 테스트 후, 10ms 폭의 다양한 P/E VGS 펄스에 대한 측정된 MW를 그림 4a에 보였다. MW는 P/E VGS 펄스 후 최대 변화 ΔVTH로 정의된다. 펄스 VGS 인가 동안 다른 단자는 VS = VD = 0V로 고정되었다. 판독(R) 동작에서 VGS는 -1V~1V 범위, VD = 0.5V, VS = 0V였다. 그림 4a와 같이 추출된 MW는 P/E VGS 펄스 증가에 따라 커진다. 부과된 P/E VGS 펄스가 ±3V일 때 추출된 MW는 0.1V다. 부과된 P/E VGS 펄스가 ±5.5V일 때 추출된 MW는 0.275V다. 그림 3a, b의 반시계 방향 MW 4V와 0.48V와 비교하면 P/E VGS 펄스 후 추출된 MW가 크게 감소했다. 이는 공기 중 높은 습도로 인한 높은 밀도의 포획 상태 때문일 수 있다[48]. 따라서 전하 포획/탈포획 메커니즘이 강화되고 반시계 방향 히스테리시스 루프가 결국 감소한다. 또한 ±5.5V 높이의 P/E 펄스 하에서 HZO/MoS2 FeFET의 사이클링 내구성과 데이터 유지를 그림 4b에 연구했다. 프로그램 VGS 펄스는 VS = VD = 0V로 10ms 폭이었다. 그림 4b는 내구성 사이클 함수로서 측정된 MW를 보여준다. 내구성 사이클은 백게이트 전압의 주기적 P/R/E/R 펄스로 형성된다. 백게이트에 인가된 P, E, R 높이 전압은 각각 +5.5V, -5.5V, 0V였다. P와 E 펄스 폭은 10ms였다. 분명히 0.3V MW가 10³ P/E 사이클 후 유의미한 저하 없이 유지될 수 있다. 내구성 사이클 수 증가에 따라 MW는 10사이클 후 0.38V로 확대되었다가 600사이클 후 0.28V로 다시 감소한다. 최초의 MW 확대는 웨이크업 효과라 불리고 나중의 MW 수축은 피로 효과라 불린다. 웨이크업 효과는 도메인 벽 디핀닝에 대응하여 HZO 박막의 스위칭 가능한 분극 도메인 증가를 이끈다[49]. 피로 효과는 수많은 P/E 사이클 후 새로 주입된 전하가 도메인 벽을 핀닝하는 것에 대응한다[50]. 실온에서 데이터 유지는 그림 4c에 보인다. 여기서는 10⁴초 후 MW 저하가 무시할 만하다. 따라서 점선 외삽선에 의해 약 0.3V MW가 10년 이상 지속 가능할 것으로 예상된다. 그림 4d와 같이 ±3V 높이의 P/E 펄스 하에서 10³ 사이클 후 소자가 안정적임이 제시되었다. HZO/MoS2 FeFET의 안정성은 비휘발성 메모리 기술 응용에 큰 전망을 보여준다.
P/E 펄스 하에서 HZO/MoS2 FeFET 메모리 성능. a ±3V, ±4V, ±5V, ±5.5V, ±6V 높이 P/E 펄스 하 추출된 MW들. b P/E 펄스 조건 하 내구성 측정. c HZO/MoS2 FeFET 유지 특성. d ±3V 높이 P/E 펄스 하 10³ 사이클 내구성
MoS2와 강유전체 게이트 유전체를 결합한 FeFET 기반 소자의 성능 지표 비교를 표 1에 제공했다. 여기서는 소자 구조, 잔류 분극, 보자력, 히스테리시스 루프 방향, MW, 동작 전압, 내구성 사이클, 유지 시간이 나열되어 있다. 우리가 제작한 소자가 다른 작업[12-18]에 비해 6nm HZO로 가장 얇은 강유전체 층과 가장 낮은 동작 전압을 보임이 명백한데, 이는 후단 공정(BEOL) 메모리의 미래 2nm 또는 3nm 공정 노드에 중요하다. 강유전체 층 두께 스케일링으로 ±3V 낮은 동작 전압 하에서 약 0.1V MW가 달성되었다. 이러한 낮은 동작 전압은 P(VDF-TrFE)나 HfO2 같은 대응물에 비해 훨씬 더 높은 두께를 가진 HZO 층의 고유 특성에 기인할 수 있다. 게다가 우리 소자는 다른 보고된 FeFET들에 비해 낮은 잔류 분극 Pr 1.1μC/cm²을 가진다. FeFET에서 빠른 유지 손실은 Al2O3 층 존재로 인한 불완전한 전하 보상으로부터 오는 탈분극 장 Edep 존재 때문이다. 여기서는 Edep가 잔류 분극 Pr에 정비례한다[51]. 따라서 높은 Ec와 낮은 Pr은 MoS2/HZO FeFET에서 Edep/Ec 비율을 매우 작게 만들어 탈분극 장 효과와 관련된 유지 손실을 매우 작게 만든다. HZO와 P(VDF-TrFE) 기반 MoS2 FeFET 유지 성능이 모두 10⁴초 정도이나 P(VDF-TrFE) 박막은 150nm 필요[17].
결론
결론적으로 HZO 백게이트 유전체를 사용한 몇 층 MoS2 기반 강유전체 메모리 트랜지스터 소자를 조사했다. 제작된 소자는 강유전체 분극에 의한 반시계 방향 히스테리시스를 보인다. 또한 우리 HZO/MoS2 강유전체 메모리 트랜지스터는 우수한 소자 성능을 나타냈다: 10⁷ 이상의 높은 온/오프 전류비와 P/E 전압 3V에서 0.1V 반시계 방향 MW, 내구성(10³ 사이클)과 유지(10⁴초) 성능을 가짐. 따라서 우리 MoS2 기반 비휘발성 강유전체 메모리 트랜지스터 결과가 2D 저전력 비휘발성 메모리 응용의 미래에 유망한 전망을 보임을 믿는다.
데이터 및 재료 가용성
저자들은 소재, 데이터, 관련 프로토콜이 독자들에게 이용 가능함을 선언하며, 분석에 사용된 모든 데이터가 이 논문에 포함되어 있다.