3.6nm 비정질 Al₂O₃에서 안정적인 강유전체 유사 거동 구현, 확장 가능한 멀티게이트 NVFET 실현

요약

전통적인 강유전체 소자는 확장성 부족 문제를 겪습니다. 도핑된 HfO₂ 박막은 스케일링 문제 해결에 유망하지만 다결정 특성으로 인한 높은 누설 전류와 균일성 문제가 과제입니다. 3.6nm 두께 비정질 Al₂O₃ 박막에서 안정적인 강유전체 유사 거동이 최초로 입증되었습니다. 비정질 Al₂O₃ 소자는 고도로 확장 가능하여 나노미터급 핀 피치를 가진 멀티게이트 비휘발성 전계효과 트랜지스터(NVFET)를 구현할 수 있습니다. 또한 저공정 온도, 고주파(~GHz), 넓은 메모리 윈도우, 긴 내구성 등의 장점을 가져 VLSI 시스템에서 큰 잠재력을 시사합니다. 전압 변조 산소 공공 쌍극자에 의한 스위처블 분극(P)이 제안됩니다.

배경

기존 페로브스카이트 강유전체(예: PZT) 기반 강유전체 램(FeRAM)은 상용 비휘발성 메모리(NVM) 중 하나였으나, 스케일링이 불가능하고 CMOS 호환성이 없었습니다. 강유전성은 돼지 대동맥 벽, Sb₂S₃ 나노와이어, GaFeO₃ 박막, 도핑된 폴리-HfO₂ 박막, 나노결정 하이드록시아파타이트 박막, LaAlO₃-SrTiO₃ 박막 등 다양한 물질에서 관찰되었습니다. 이 중 도핑 HfO₂ 박막은 CMOS 공정 호환성으로 NVM 응용에 특별한 관심을 끌었습니다. 하지만 다결정 구조는 도핑 HfO₂에서 강유전성 생성에 필연적이며, 이는 소자 응용에 다음과 같은 장애물을 가져왔습니다: 1) 정방정계 결정상 형성을 위한 500°C 열 예산으로 인해 게이트-라스트 공정과 호환되지 않음; 2) 결정립 계면을 따른 원치 않는 누설 전류로 인한 전력 소모, 이는 강유전체 두께 축소에 따라 기하급수적으로 증가. 최근 이론 연구에서는 두꺼운 폴리-HfO₂(>5 nm)에서 추가 강유전성이 산소 공공에 의해 생성된 전기 쌍극자 장거리 상관관계에서 기인할 수 있음을 제안했습니다. 결함 전하 트래핑/디트래핑 메커니즘이 5nm 두께 비정질 Al₂O₃에서 다중 상태 메모리를 위한 강유전체 유사 거동을 생성하는 것으로 관찰되었으나, 매우 낮은 트래핑/디트래핑 주파수(예: ~500 Hz)를 겪었습니다.

본 연구에서는 3.6nm 두께 비정질 Al₂O₃ 박막에서 안정적인 강유전체 유사 거동을 입증했습니다. 여기서 스위처블 분극(P)은 전압 변조 산소 공공 쌍극자에 의해 유도되는 것으로 제안됩니다. 비정질 Al₂O₃ 박막은 저공정 온도와 ~GHz까지의 동작 주파수 장점을 가지며, 나노미터급 핀 피치를 가진 멀티게이트 NVFET을 가능하게 합니다. 100ns 펄스 폭 프로그램/이레이즈(P/E) 전압과 10⁶회 이상 P/E 사이클 내구성을 가진 Al₂O₃ NVFET 메모리가 시연되었습니다. Al₂O₃ 커패시터에서 전극과 박막 두께가 P에 미치는 영향도 조사했습니다. 비정질 비휘발성 소자는 VLSI 메모리에서 유망한 미래를 보여줍니다.

방법

비정질 Al₂O₃ 박막은 원자층증착(ALD)으로 Si(001), Ge(001), TaN/Si 기판 위에 성장시켰습니다. Al과 O 전구체로 TMA와 H₂O 증기를 각각 사용했습니다. 증착 중 기판 온도는 300°C로 유지했습니다. TaN/Ti, TaN, W 등 다양한 상부 금속 전극을 반응성 스퍼터링으로 Al₂O₃ 표면에 증착했습니다. 커패시터는 리소그래피 패터닝과 건식 식각으로 다양한 전극으로 제조했습니다. 350°C에서 30초간 급속열어닐링(RTA)을 수행했습니다. TaN/Al₂O₃ 게이트 스택을 가진 NVFET을 Ge(001) 위에 제조했습니다. 게이트 형성 후 소스/드레인(S/D) 영역을 BF₂⁺ 이온 주입(도즈 1×10¹⁵ cm⁻², 에너지 20 keV)으로 형성하고, 20nm 두께 니켈 S/D 금속 전극을 리프트오프 공정으로 형성했습니다. 그림 1a, b는 제조된 Al₂O₃ 커패시터와 p채널 NVFET의 개략도입니다. 전극과 Al₂O₃ 박막 사이에 계면층(IL)이 존재합니다. 그림 1c, d는 350°C RTA 후 서로 다른 비정질 Al₂O₃ 두께(t_AlO)를 가진 TaN/Al₂O₃/Ge 스택의 고분해능 투과전자현미경(HRTEM) 이미지입니다.

결과 및 고찰

그림 2는 다양한 t_AlO와 다양한 상부/하부 전극을 가진 비정질 Al₂O₃ 커패시터의 측정된 P 대 V 특성을 보여줍니다. 측정 주파수는 1 kHz입니다. 그림 2a-c에서 고정된 3.6nm t_AlO로 TaN/Al₂O₃/Ge 커패시터가 TaN/Ti와 W 상부 전극을 가진 소자보다 더 높은 포화 분극(P_sat)을 달성합니다. 강유전체 유사 거동은 계면과 강하게 연관되며, TaN과 Al₂O₃ 사이 TaAlO_x IL 형성이 TiAlO_x와 WAlO_x IL보다 더 많은 산소 공공을 생성해 더 강한 스위칭 P에 기여한다고 제안됩니다. 그림 2d의 P-V 곡선에서 TaN/Al₂O₃/TaN 커패시터는 TaN/Al₂O₃/Ge에 비해 훨씬 높은 P_sat를 가지며, 이는 이중 TaAlO_x IL이 더 높은 산소 공공 농도를 제공하기 때문으로 귀속됩니다. Si 하부 전극 사용 시(그림 2e) P_sat가 Ge 전극에 비해 유의미하게 낮습니다. 이는 Al₂O₃/Si 계면 품질이 더 좋아 Ge 기판 기반 소자에 비해 산소 공공이 더 적음을 나타냅니다. 그림 2f는 TaN/Al₂O₃(6nm)/Ge 커패시터의 P-V 곡선으로, 그림 2b의 3.6nm 두께 소자와 거의 동일한 P_sat지만 더 높은 V_c를 보입니다. P-V 루프가 닫히지 않는 이유는 누설 전류가 존재하기 때문입니다. 큰 전기장에서 큰 오프셋이 항상 발생하며, 더 작은 V 스위핑 범위에서 점차 사라진다고 보고되었습니다.

그림 2g, h는 TaN/Al₂O₃/Ge 커패시터의 10⁴ 스위핑 사이클에 걸친 양/음 잔류 분극(P_r)과 강제 전압(V_c) 추출 진화값을 각각 보여줍니다. 웨이크업, 임프린트, 피로 효과가 관찰되지 않았습니다. 소자의 V_c는 ~1.8V로 Al₂O₃ 박막 내 전기장 E가 4~6 MV/cm, IL에서는 8 MV/cm를 초과할 수 있어 산소 공공을 구동하기에 충분히 높습니다. 소자의 P_sat는 1~5 μC/cm² 범위로, 전하가 +2라고 가정할 때 3~15×10¹² cm⁻² 범위의 합리적인 산소 공공 농도에 해당합니다.

Al₂O₃ 소자에서 산소 공공과 관련된 강유전체 유사 거동의 근본 메커니즘을 논의합니다. 전압 구동 산소 공공 이동은 저항성 램 소자에서 널리 입증되었습니다. 그림 3은 TaN/Al₂O₃/Ge에서 스위처블 P의 개략도로, 전압 변조 산소 공공과 음전하 분리가 전기 쌍극자를 형성해 기원합니다. 이동 가능한 산소 공공은 주로 TaAlO_x IL 형성에서 기인하며 초기 상태에서 상부 계면 부근에 위치한다고 추론하기 합리적입니다(그림 3a). 그림 3b, c는 인가 전압 하에서 산소 공공과 음전하 쌍극자 변조로 양/음 P가 어떻게 형성되는지 각각 보여줍니다. Al₂O₃/Ge와 (Ti, TaN, W)/Al₂O₃/Ge 시료의 X선 광전자 분광법(XPS) 스펙트럼을 측정해 그림 4에 나타냈습니다. 모든 금속/Al₂O₃/Ge 시료에서 금속과 Al₂O₃ 사이에 금속 산화물 IL이 형성되며, 이는 산소 이온과 공공의 저장소 역할을 할 것으로 제안되며, 이는 참조 [17]과 일치합니다.

Al₂O₃ NVFET의 NVM으로서 전기적 성능을 특성화하기 위해, 프로그램(이레이즈) 동작은 게이트에 양(음) 전압 펄스를 인가해 문턱 전압(V_TH)을 올리거나(낮추거나) 수행합니다. 그림 5a는 ±4V 프로그램(이레이즈) 전압, 100ns 펄스 폭으로 초기 I_DS-V_GS 곡선에 대한 Al₂O₃ NVFET 선형 영역 전이 특성 변화를 보여줍니다. 여기서 V_TH는 100 nA·W/L에서의 V_GS로 정의되며, MW는 V_TH 최대 변화로 정의됩니다. Al₂O₃ NVFET은 0.44V MW를 얻습니다. 비정질 Al₂O₃ 박막이 보고된 도핑 HfO₂ 박막보다 작은 P_r을 가짐에도 불구하고 말입니다. Al₂O₃ NVFET 메모리의 최대 10MHz 동작 주파수는 Al₂O₃ 내 스위처블 P가 결함 전하 트래핑/디트래핑이 아닌 전압 구동 산소 공공 이동에 의한 쌍극자 형성에서 기인함을 시사합니다. 교번 프로그램 및 이레이즈 펄스를 Al₂O₃ 소자에 인가해 소자 내구성을 추가 연구했습니다. 그림 5b는 V_TH 대 P/E 사이클 수 플롯으로, 3.6nm 두께 Al₂O₃ NVFET에서 10⁶ P/E 사이클 후 유의미한 열화 없이 안정한 MW가 유지됨을 보여줍니다.

주목할 점은 비정질 Al₂O₃ 소자에서 관찰된 강유전체 유사 거동이 하프늄 산화물(HfO₂), 지르코늄 산화물(ZrO₂) 등 보편적 비정질 산화물로 확장될 수 있다는 것입니다.

결론

얇은 비정질 Al₂O₃ 절연체를 가진 커패시터에서 안정적인 강유전체 유사 거동이 최초로 실현되었습니다. P-V 루프와 NVFET 테스트로 비정질 Al₂O₃ 커패시터의 스위처블 P가 입증되었습니다. 강유전체 유사 거동은 계면 산소 공공과 이온 쌍극자에서 기원하는 것으로 제안됩니다. 3.6nm 두께 Al₂O₃ NVFET은 ±4V, 100ns P/E 조건에서 0.44V MW와 10⁶회 이상 사이클 내구성을 달성합니다. 전반적으로 이 연구는 비정질 산화물 강유전체 소자의 새로운 세계를 열었으며, VLSI 시스템에서 잠재적으로 나노 스케일 핀 피치를 가진 멀티게이트(핀형, 나노와이어, 나노시트) NVFET에 유망합니다.