绝缘栅

NanoLett后CMOS兼容的铁电

发布时间:2022/7/26 15:04:10   
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经过铁电(FE)材料的残余极化来操纵半导体的场效应电导,能够建设铁电场效应晶体管(FE-FET)。不过,为赢得有用且紧凑的FE-FET所做的后续发奋因低保存率且与CMOS工艺集成不兼容而备受搅扰。这些艰苦致使了基于圈套电荷的非易失性储备器(NVM)器件(也称为浮栅或闪存)的进展。关于临盆线后端(BEOL)工艺而言,须要更化学,静电和热波动的FE电介质。其余,紧迫须要与逻辑晶体管慎密耦合的储备器件。摩尔定律的减慢以及行使大数据的储备瓶颈的涌现,紧迫须要低功耗且高度可扩大的储备器件。这些须要请求开拓不同于准则冯·诺依曼架构的推算硬件架构,并请求与片上储备器件紧稠密成。FE-NVM器件最惹人注宗旨是由于它们的器件构造简洁、拜访速率更高、经久性高况且写入能量极低。只管铁电随机存取储备器(FE-RAM)是一种现成的贸易手艺,但器件架构请求FE电容器与晶体管串连延续。FE-FET克复了以上挑战,不过,一些赓续的挑战阻塞了建设可扩大且好久的FE-FET:(1)不足具备充足大矫顽场和残余极化的铁电材料;(2)铁电电介质与准则CMOS工艺不兼容;(3)大去极化场致使的较差保存才力。

成绩讲解

有鉴于此,不日,美国宾夕法尼亚大学DeepJariwala教导团队讲解了一种由FE-AlScN介电层与2DMoS2沟道集成的FE-FET器件。器件的开/关比~,同时归一化储备窗口为0.3V/nm。这些器件还具备高达个周期的波动储备形态和高达s的形态保存时候。本文的钻研后果说明,FE-AlScN/2D组合特别合适嵌入式储备和基于储备的推算架构。文章以“Post-CMOSCompatibleAluminumScandiumNitride/2DChannelFerroelectricField-Effect-TransistorMemory”为题发布在闻名期刊NanoLetters上。

图文导读

图1.具备nm厚AlScN铁电体的多层MoS2FE-FET。(a)AlScN/MoS2FE-FET的示用意。(b)横截面TEM图象。(c)铁电AlScN薄膜的SAED图案。(d)从沟道/介电界面赢得的高分辩出入TEM图象。

如图1a所示,AlScN/MoS2FE-FET是具备nm厚Al0.71Sc0.29N(溅射堆积在nm厚的Pt模板上)的背栅晶体管。代表性AlScN/MoS2FE-FET的横截面明场TEM图象如图1b所示。反响的SAED图象形式显示,铁电AlScN高度结晶并沿[]成长方位织构化(图1c)。AlScN/MoS2界面的高分辩出入TEM图象如图1d所示,少层MoS2沟道层明确看来。在AlScN的顶表面上也窥察到了薄的氧化层。在已演示的FE-FET中,薄(5nm)层在FE-AlScN的切换中并不起关键效用。

图2.AlScN/MoS2FE-FET的室温电学特点。(a)nmAlScN薄膜的PUND后果。(b)具备nmAlScN做为铁电栅极电介质的代表性AlScN/MoS2FE-FET在室温下的半对数刻度迁徙特点。(c)别离具备nm厚PZT,HfO2和AlScN铁电电介质的MoS2FE-FET的TCAD摹拟,显示出逆时针迁徙电滞回线。(d)统一器件在种种栅极电压下的线性刻度输出特点。(e)开和关储备形态的经久性测试。(f)电阻形态的保存测试。

如图2a所示,应用两个脉冲之间具备1ms推迟的10μs方波,经过PUND测试,表征了nmAlScN薄膜的铁电反响。PUND测试优于极化-电场迟滞回线(P-E回线),由于nmAlScN的P-E回线显示出极化依赖的走电,这会阻塞在正场侧窥察极化饱和。PUND后果说明,AlScN薄膜中的残余极化强度~80μC/cm2,况且关于10μs脉冲,铁电切换的肇始电压超出50V。由于能够将铁电薄膜的矫顽电压与施加电压的频次(或脉冲宽度)相关系,因而,应用脉冲宽度为ms且电压为零到40V峰值的单极性三角波实行了另一次PUND测试。在相似于器件衡量和仿果真前提下,这类PUND衡量说明不异的残余极化为~80μC/cm2,切换电压在30至40V之间。在FE-AlScN表面构成的果然氧化物也为缔造MIM电容器供给了时机,FE层构成了走电介电层,而薄膜氧化物是绝缘的隧穿势垒层。除了准则的电流-电压衡量外,还沿两个不同的扫描方位衡量了FE-FET迁徙特点之间的迟滞(图2b)。施加正栅极偏置会致使漏极电流赶紧增进几个数目级,这与强电子积蓄和残余导通形态电流关系。由于MoS2中硫空位引发的n搀杂,晶体管显示出n型特点。从正栅极偏置切换为负栅极偏置时,窥察到电流迟缓下落,随后在~-30V处赶紧下落。这说懂得沟道耗尽和残余的截至形态电流。耗尽后抵达的漏极电流(截至形态)特别相似于栅极电流,这说明它是由栅极绝缘体的走电引发的。器件的开/关电流比~。猜度这类走电流或许是由于来往电极和全部背栅的较大面积以及AlScN薄膜或基层Pt中的弊端,能够经过应用部分栅极若干形态或额外的绝缘层将其最小化。

迁徙弧线中的迟滞呈逆时针方位,与FE-FET理论一致。家喻户晓,电介质中的电荷圈套会在迁徙弧线中构成迟滞回线,不过,圈套开辟的迟滞回线仅是顺时针方位。因而,窥察到逆时针铁电回线说明存在铁电和极化切换。用nm厚的AlScN做为铁电电介质,AlScN/MoS2FE-FET具备大储备窗口,~35V。因而,漏极电压为1V时的归一化储备窗口为0.3V/nm。较大的归一化储备窗口归因于AlScN的志愿铁电特点:大矫顽场,高极化和中等介电常数。经过采取保守PZT,搀杂HfO2和AlScN的有限元参数,实行了手艺推算机帮助计划(TCAD)摹拟,钻研储备窗口对栅极介电常数的依赖性。如图2c中的仿真后果所示,在具备MoS2沟道和nm厚栅极电介质(最大储备窗口)的一共三个FE-FET中都窥察到了逆时针迁徙迟滞回线。细致到,图2c中摹拟的ID-VG弧线中的储备器窗口在约VG=0V时是对称的,而比拟之下,器件试验衡量的迁徙特点向左挪移,这归因于半导体界面和AlScN电介质以及表面氧化物中的圈套。

为了进一步表征沟道特点,衡量了AlScN/MoS2FE-FET的输出特点。在导通形态下,它们显示出线性行动,具备高度的电流操纵才力(电流比),启动电流密度超出μA/μm。为了进一步断定储备效反响牢固性,在开/关形态之间实行了轮回和保存测试,如图2e和f所示。图2e给出了从个周期中索取的残余导通形态电流和截至形态电流。不异AlScN/MoS2FE-FET的轮回编程/擦除操纵说明,导通和截至电流形态都是波动且可誊写的,况且在00个周期内均未显示出显然的退步。实行了种种推迟时候的读出以断定保存度(图2f),高和低电流/电阻形态在室温下能够坚持起码000s。2D沟道不只关于完结高开/关比相当要害,况且由于最小的去极化场,关于永劫间保存也相当要害。

图3.AlScN/MoS2FE-FET与参考AlN/MoS2FET的较量。(ab)室温下,典范AlScN/MoS2FE-FET和AlN/MoS2FET在较大栅极电压扫描范畴和较小栅极电压扫描范畴的半对数刻度迁徙特点。(c)在±50V范畴内,正向和反向扫描期间的迁徙特点较量。

为了进一步加深对电学衡量的窥察,制备了参考AlN/MoS2FET。图3显示了具备不同扫描范畴的AlScN/MoS2FE-FET和AlN/MoS2FET的迁徙弧线。迁徙特点中的电滞回线首要取决于栅极电压扫描范畴,可做为AlScN/MoS2FE-FET中铁电极化切换的有力凭据。如图3a所示,窥察到AlScN/MoS2FE-FET迁徙弧线中的迟滞跟着极化切换的发端从顺时针向逆时针回转,这是在较高的栅极电压下产生的。关于较小的扫描范畴,能够窥察到迟滞是顺时针方位的,这说明电荷俘获主宰了电流迟滞,况且铁电极化没有回转。关于较大的扫描范畴,窥察到的迟滞是逆时针方位的,这说明铁电体发端极化切换。如图3b所示,在nmAlN上的MoS2FET展现出常例的n型行动,开/关比~,相似于在氧化物电介质上制成的器件,这归因于弊端中俘获的电荷和电介质中的吊挂键。其余,当扫描范畴扩大到±70V时,AlN介电FET的迟滞回线方位不会产生标记翻转。这进一步说明,AlScN/MoS2FE-FET中的逆时针迟滞是由铁电极化切换引发的。

关于相似的沟道尺寸、厚度、介电常数和介电厚度,AlN/MoS2FET和AlScN/MoS2FE-FET之间的导通电流巨细不同(图3c)。给定AlScN(~12)的k值仅比AlN(~7.1)大了~1.7倍,则准则介电电容充电模子没法评释倍的导通电流密度不同。这再次说明在半导体沟道中存在高表面电荷密度,这是由AlScN的铁电极化引发的。除了电流幅度外,在正向和反向扫描时,AlN/MoS2FET和AlScN/MoS2FE-FET之间迁徙特点阈值电压的相对偏移也说明AlScN中存在铁电极化(图3c)。关于正向扫描,AlScN/MoS2FE-FET和AlN/MoS2FET之间的阈值电压偏移为正,说明AlScN/MoS2界面处有额外的负电荷。相悖,关于反向扫描,AlScN/MoS2FE-FET和AlN/MoS2FET之间的阈值电压偏移为负,说明AlScN/MoS2界面处有额外的正电荷。AlScN/MoS2界面上电荷标记的这类改变进一步表明,迁徙特点中的显然迟滞形势是铁电极化切换引发的。着末,亚阈值摆幅斜率(SS)的不同也说明,沟道中载流子的密度首要由铁电极化切换决意。如图3c所示,AlScN上的MoS2FET展现出陡峭的斜率开关行动(mV/dec),与不异厚度AlN上的MoS2FET比拟(mV/dec),低沉了两个数目级。经过将铁电层集成到栅极中,俄然且显然的切换行动是负电容的直接影响。

图4.AlScN/MoS2FE-FET与从前报导的FE-FET的功用较量。(a)文件中报导的Fe-FET的开/关电流比和归一化储备窗口。(b)在三种不同FE-FET环境下推算的去极化场与矫顽场之比。

以上后果说明,基于FE-AlScN和2DMoS2沟道的FE-FET具备吸引力。不过,须要在文件中对FE-FET实行一共的基准测试,完结平允的评价和手艺可行性。图4a显示了AlScN/MoS2FE-FET与从前报导的FE-FET的较量,包罗保守的PZTFE-FET和基于HfO2的先进FE-FET等。从报导的迁徙弧线中索取了开/关电流比和归一化的储备窗口(储备窗口/铁电厚度),实行平允的基准测试。图4a理解地说明,就归一化储备窗口而言,AlScN/MoS2FE-FET优于一共畴昔的FE-FET,更要害的是,AlScN/MoS2FE-FET同时满意了两个目标(充足的储备窗口和高开/关电流比)。

只管报导的FE-FET在开/关比和储备窗口方面都优胜,不过好久性和保存才力关于储备一样要害。保守FE-FET器件观点碰到的一个弊端是,由于半导体沟道不完整电荷赔偿而构成的电场会致使铁电层随时候的去极化。为了钻研去极化场,推算了FE-FET中的去极化场/矫顽场(Edep/Ec)比。如图4b所示,只管关于比例缩放的10nmAlScN铁电层,得出的Edep/Ec比也小于1,这说明铁电层的去极化场不超出矫顽场。相悖,基于HfO2和PZT的FE-FET的Edep/Ec比别离~3和~40。这说明能够完结AlScN/2D沟道基FE-FET的低电收缩放和永久保存。

归纳与预计

本文将AlScNFE电介质与2DMoS2沟道相聚集,展现了基于高功用FE-FET的储备器件。器件展现出了创纪录的归一化储备窗口和开/关比,同时具备卓越的保存率和与CMOSBEOL兼容的责罚温度。本文的钻研后果说明,FE-AlScN/2D组合特别合适嵌入式储备和基于储备的推算架构。

文件讯息

Post-CMOSCompatibleAluminumScandiumNitride/2DChannelFerroelectricField-Effect-TransistorMemory

(NanoLett.,,DOI:10./acs.nanolett.0c)

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