(a) Esquema de FeFET baseado em HfO2 ferroelétrico com estrutura de pilha vertical 3D para alta capacidade de memória. O poli-silício é normalmente usado como material de canal. Nesse trabalho, propomos usar IGZO como um material de canal. (b) Ilustração esquemática dos desafios atuais do canal de poli-silício e possível solução pelo canal IGZO. O poli-silício tem baixa mobilidade na região de espessura nanométrica e forma uma camada interfacial de baixo k que causa perda de tensão e aprisionamento de carga.
Como parte do programa JST PRESTO, Professor associado Masaharu Kobayashi, Instituto de Ciência Industrial, a Universidade de Tóquio, desenvolveu um FET ferroelétrico (FeFET) com ferroelétrico-HfO 2 e canal IGZO ultrafino. Foram demonstradas oscilações subliminares quase ideais (SS) e mobilidade maior do que o canal de poli-silício.
FeFET é um dispositivo de memória promissor devido ao seu baixo consumo de energia, alta velocidade e alta capacidade. Após a descoberta de HfO ferroelétrico compatível com CMOS 2 material, O FeFET tem atraído mais atenção. Para uma capacidade de memória ainda maior, A estrutura de empilhamento vertical 3-D foi proposta como mostrado na Fig. 1 (a).
Para estrutura de pilha vertical 3-D, poli-silício é normalmente usado como um material de canal. Contudo, poli-silício tem mobilidade muito baixa na região de espessura nanométrica devido aos limites de grão e defeitos extrínsecos. Além disso, poli-silício forma uma camada interfacial de baixo k com ferroelétrico-HfO 2 isolador de porta. Isso resulta em perda de tensão e retenção de carga que impede a operação de baixa tensão e diminui a confiabilidade, respectivamente como mostrado na Fig. 1 (b).
Para resolver esses problemas, neste estudo, propusemos um ferroelétrico-HfO 2 FeFET baseado em canal IGZO ultrafino. IGZO é um semicondutor de óxido metálico e pode evitar a camada interfacial de baixo k com um HfO ferroelétrico 2 isolador de porta. Além disso, uma vez que IGZO é um semicondutor do tipo N e normalmente usado em operações de transistor sem junção, captura de carga, que é um problema sério na operação do modo de inversão, pode ser evitado como mostrado na Fig. 1 (b).
(a) Imagem TEM em seção transversal de um capacitor TiN / HfZrO2 / IGZO. Cada camada foi formada uniformemente. A camada de HfZrO2 é uniformemente cristalizada com fase ferroelétrica. (b) Carga de polarização medida versus tensão de um capacitor TiN / HfZrO2 / IGZO. Ferroeletricidade clara foi confirmada.
Primeiro, investigamos sistematicamente a espessura ótima do canal IGZO. À medida que a espessura do IGZO diminui, SS é reduzido e a tensão de limiar (Vth) aumenta. Para realizar SS íngreme e operação normalmente desligada, 8nm foi escolhido. Próximo, nós fabricamos um TiN / HfZrO 2 / Capacitor IGZO. HfZrO 2 é a camada ferroelétrica. A imagem TEM em seção transversal mostra que cada camada foi formada uniformemente como mostrado na Fig. 2 (a). O espectro GIXRD foi obtido e a fase ferroelétrica foi confirmada. Por caracterização elétrica, confirmamos a propriedade ferroelétrica livre com IGZO limitando em HfZrO 2 como mostrado na Fig. 2 (b).
(a) Corrente de drenagem medida versus tensão de porta de um FeFET com canal IGZO de 8 nm de espessura. Janela de memória de 0,5 V e SS quase ideal de 60 mV / dec foram alcançados. (b) Mobilidade de efeito de campo medida do FeFET com canal IGZO. A mobilidade de 10cm2 / Vs pode ser maior do que a do canal de poli-silício na mesma espessura.
Deve-se notar que, no design do dispositivo atual, um back-gate é necessário com óxido enterrado para fixar o potencial do corpo. Sem um back-gate, o potencial do corpo está flutuando e a tensão não pode ser suficientemente aplicada no ferroelétrico-HfO 2 isolador de portão, o que foi confirmado por simulação TCAD. Com base nesses designs de dispositivo, nós fabricamos um FeFET com ferroelétrico-HfO 2 e um canal IGZO ultrafino. A Fig. 3 (a) mostra a corrente de drenagem medida em relação à tensão de porta após aplicar as tensões de pulso de gravação e exclusão. Uma janela de memória de 0,5 V e SS quase ideal de 60 mV / dec foi obtida. Além disso, a mobilidade de efeito de campo é de cerca de 10cm2 / Vs, como mostrado na Fig. 3 (b), que pode ser maior do que o poli-silício na mesma espessura.
As conquistas neste estudo abrirão um novo caminho para a realização de FeFET de baixa tensão e altamente confiável com estrutura de pilha vertical 3-D. Isso leva à habilitação de dispositivos de ponta IoT de potência ultrabaixa, implantando um sistema de rede altamente sofisticado, and thus providing more strategic social services utilizing big data.
