Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе Hf1-xSixO.

Прошло пол века с тех пор как концепция энергонезависимой памяти, основанной на сегнетоэлектрическом подзатворном оксиде, была впервые предложена в 1963. Эта первая концепция FRAM предлагала минимальный размер ячейки и неразрушающее считывание и потому была широко изучена. Была продемонстрирована превосходная стойкость для MFIS полевых транзисторов, наиболее общей FeFET конфигурации. Ранние ограничения по хранению данных были преодолены благодаря использованию диэлектриков с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. В то же время, однако, дали о себе знать фундаментальные ограничения масштабирования сегнетоэлектрических полевых транзисторов, умаляющие их полный потенциал и замедляющие развитие по сравнению с конкурентами в области энергонезависимой памяти. В целях поддержания эксплуатационной технологичности затворного стека с уменьшением длины затвора, требуется значительное уменьшение толщины сегнетоэлектрика. Помимо трудностей с масштабированием толщины сегнетоэлектрических слоев d_FE, следует рассматривать дополнительное окно памяти (MW ~ 2*Ec*d_FE). Однако, с его высокой коэрцивной силой E_c в 1 MV/cm и стабильными сегнетоэлектрическими свойствами ниже 10 нм, FE-HfO₂ сможет преодолеть эту трудность масштабирования; совмещение FeFET и HKMG (затвор с высокой диэлектрической проницаемостью) масштабирования при 28 нм технологических нормах. I_dV_g-гистерезис "против часовой стрелки" в отличие от гистерезиса "по часовой стрелке" устройств с захватом заряда указывает на присутствие сегнетоэлектрического переключения в MFIS-FETs на основе FE-HfO₂ (рис. 10). В результате для обеспечения доминирования результирующего сегнетоэлектрического окна памяти над паразитным сдвигом порогового напряжения, вызванного инжекцией заряда, стабильность сегнетоэлектрической фазы должна быть точно налажена с помощью точного контроля состава (рис. 11). Кроме того, быстрое сегнетоэлектрическое переключение в наносекундном диапазоне может быть использовано для минимизации влияния этого конкурирующего сдвига порогового напряжения. Учитывая временную зависимость и зависимость инжекции заряда от поля, а также кинетику сегнетоэлектрического переключения, которую уже наблюдали в MFM конденсаторах, может быть получено узкое окно для оптимальной работы памяти (рис. 12). Считывающее без разрушения окно памяти было найдено для V_dd/3 схемы, предполагающей AND архитектуру из-за высокой E_c сегнетоэлектрического HfO₂ (рис. 13). V_dd/2 операции, однако, требуют дальнейшего совершенствования. С точки зрения хранения данных, довольно низкое значение диэлектрической проницаемости FE-HfO₂ и тонкий межфазный слой, используемый в таком HKMG подходе, очень полезны, и приводят к малому деполяризующему полю в FE-HfO₂. Это позволяет экстраполировать ширину окна памяти через 10 лет, при тестировании в условиях высокой температуры (до 210 ºС) (рис. 14). Скорее всего из-за инжекции заряда, вызванной высокими полями через затворный стек, износостойкость прибора в настоящее время ограничивается 10⁴-10⁵ циклами записи\стирания (рис. 15). Следовательно, высокая E_c сегнетоэлектрического HfO₂ — это не только ключ к обновленному масштабирующему потенциалу сегнетоэлектрического полевого транзистора и устойчивость к возмущениям, но и его большая проблема надежности. Снижение "теплового бюджета" так же как балансировка внутреннего распределения поля в стеке с помощью увеличения граничной емкости могут улучшить стойкость характеристик. Импульсные характеристики быстрого эффекта зарядки\разрядки в сегнетоэлектрических полевых транзисторах на основе FE-HfO₂ дополнительно показывают, что сегнетоэлектрическое окно памяти появляется не мгновенно из-за "наложенного захвата электронов" и открывается только после их высвобождения (рис. 16). Экстраполяция времени импульса для сдвига порогового напряжения "по часовой стрелке", вызванного инжекцией заряда, позволяет предположить, что сегнетоэлектрическое переключение без каких-либо инжекций заряда может быть возможно только в суб-наносекундном режиме. Необходимы дополнительные разработки в области материалов и соединений для уменьшения паразитного эффекта также для более длительной ширины импульса.

Для нахождения оптимальных условий записи\стирания (рис. 12) были изготовлены тестовые структуры FeFET n-типа на 300 мм подложках. Подзатворный диэлектрик Si:HfO₂ получен с помощью ALD, так как для стабилизации сегнетоэлектрической фазы в Si:HfO₂ должна точно контролироваться малая концентрация легирующей примеси. ALD идеально подходит для такой задачи (рис. 17). Толщина пленки 10 нм. Были осаждены три слоя с различной концентрацией Si (0%, 4,4%, 5,6%).

Между сегнетоэлектриком и каналом был введён промежуточный SiON. После осаждения затвора для активации примеси и кристаллизации диэлектрика был проведен отжиг.

Сегнетоэлектрический HfO₂ вызывает энергонезависимое переключающее поведение устройства. Это показано на рис. 18. Если устройство программируется 4,0 В 100 нс прямоугольными импульсами пороговое напряжение смещается в сторону негативных напряжений затвора. Если устройство программируется негативным 100 нс импульсом с амплитудой -5,0 В, пороговое напряжение смещается на 0,70 В в сторону положительных напряжений.

Чтобы прояснить такое переключающее поведение, проведём измерения импульсной матрицы. В этих устройствах первый импульс был запрограммирован 100 нс 4,0 или -5,0 В, после длина импульса и амплитуда варьировались в целях определения оптимальной амплитуды импульса и длины, необходимых для перепрограммирования устройства. Для этого пороговое напряжение измеряли после каждого перепрограммирующего импульса. Результаты эксперимента показаны на рис. 19, a и b. На рис. 19, а показано, как после 4,0 В программирующего импульса -4,0 перепрограммирующий импульс должен достигнуть достаточного сдвига в пороговом напряжении при длине импульса в 100 нс. При меньших напряжениях электрического поля не достаточно сильное для обращения обратной поляризации. Если же перепрограммирующее напряжение слишком высокое или импульс слишком долгий, в промежуточном SiON доминирует захват заряда. Пока захват зарядов сдвигает пороговое напряжение в противоположном направлении как сегнетоэлектрическое переключение, достигается пониженная эффективность сдвига порогового напряжения. На рис. 19, b показано как после первоначального программирования с 100 нс -5,0 В импульсом импульс, необходимый для перепрограммирования FeFET, соответствует 4,0 В и 100 нс длительностью.

Двигаясь к более короткой длине затвора на рис. 18, b показано, что с одной стороны больший сдвиг порогового напряжения (1,11 В), а с другой стороны виден эффект короткого канала. Напряжение, необходимое для индуцирования сегнетоэлектрического переключения, выше значений ± 6,0 В.

В эксперименте на износостойкость транзисторы с 500 нм длинной затвора программировались и перепрограммировались до 20000 раз. Износостойкость зависит от высоты и длины импульса. Когда программирующий импульс составляет 5,0 В и перепрограммирующий — -4,0 В (по 100 нс каждый) остаточное окно памяти составляет 0,18 В после 10000 переключающих циклов. Это окно памяти может быть не только восстановлено, но и увеличено до 0,75, относительно исходного окна памяти в 0,45 В, с помощью увеличения перепрограммирующего смещения до -5,0 В. Это показано на рис. 20, а. Это устройство испытало ещё 10000 циклов переключения и окно памяти сохранилось на уровне 0,45 В. Однако, окно памяти смещается в сторону более высоких напряжений после 1000 циклов.

При использовании разных напряжений переключения можно улучшить характеристику износостойкости. На рис. 20, b показано, как окно памяти изменяется на протяжении 20000 циклов переключения. Программирующее и перепрограммирующее напряжение составляет 4 В и -5 В соответственно. Начальный размер окна памяти уменьшился с 0,63 В до 0,41 В. Окно памяти также сместилось в сторону более высоких напряжений, но не очень сильно. Причиной такого уменьшения окна памяти заключается в захвате заряда во время процедуры переключения. Захваченные заряды над каналом индуцируются сдвиг порогового напряжения в сторону более высоких напряжений.

На рис. 14 показано, что ширина окна памяти при комнатной температуре сохраняется на уровне 0,93 В при использовании в течение 10 лет.

Заключение.

Сегнетоэлектрический диоксид гафния зарекомендовал себя как стабильный при высоких температурах, технологичный материал для весьма конкурентоспособных MFM (металл/сегнетоэлектрик/металл) конденсаторов и MFIS (металл/сегнетоэлектрик/изолятор/полупроводник) полевых транзисторов. HfO₂ совместим с КМОП технологией и уже полностью интегрирован в полупроводниковую технологию изготовления.

Список используемой литературы

1. Muller, J.; Boscke, T.S.; Muller, S.; Yurchuk, E.; Polakowski, P.; Paul, J.; Martin, D.; Schenk, T.; Khullar, K.; Kersch, A.; et al. — Ferroelectric Hafnium Oxide: A CMOS-Compatible and Highly Scalable Approach to Future Ferroelectric Memories. [2013]

2. Muller, J. ; Yurchuk, E. ; Schlosser, T. ; Paul, J. ; Hoffmann, R. ; Muller, S. ; Martin, D. ; Slesazeck, S. ; Polakowski, P. ; Sundqvist, J. ; et al. — Ferroelectricity in HfO₂ enables nonvolatile data storage in 28 nm HKMG.[2012]

3. Martin, D.; Yurchuk, E.; Muller, S.; Muller, J.; Paul, J.; Sundquist, J.; Slesazeck, S.; Schlosser, T.; van Bentum, R.; Trentzsch, M.; et al. Downscaling ferroelectric field effect transistors by using ferroelectric Si-doped HfO₂ .[2013]

4. Robert D. Clark — Emerging Applications for High K Materials in VLSI Technology. [2014]