(a) Schematisk av ferroelektrisk-HfO2-baserad FeFET med 3D vertikal stackstruktur för hög minneskapacitet. Polykisel används vanligtvis som ett kanalmaterial. I det här arbetet, vi föreslår att använda IGZO som ett kanalmaterial. (b) Schematisk illustration av nuvarande utmaningar för poly-kiselkanal och möjlig lösning med IGZO-kanal. Polykisel har låg rörlighet i nanometertjockleksområdet och bildar lågk-gränssnittsskikt som orsakar spänningsförlust och laddningsfångning.
Som en del av JST PRESTO-programmet, Docent Masaharu Kobayashi, Institutet för industrivetenskap, universitetet i Tokyo, har utvecklat en ferroelektrisk FET (FeFET) med ferroelektrisk-HfO 2 och ultratunn IGZO-kanal. Nästan idealisk subthreshold swing (SS) och rörlighet högre än poly-kiselkanal har visats.
FeFET är en lovande minnesenhet på grund av dess låga effekt, hög hastighet och hög kapacitet. Efter upptäckten av CMOS-kompatibel ferroelektrisk-HfO 2 material, FeFET har fått mer uppmärksamhet. För ännu högre minneskapacitet, 3D vertikal stapelstruktur har föreslagits såsom visas i fig. 1(a).
För 3D vertikal stackstruktur, polykisel används vanligtvis som ett kanalmaterial. Dock, polykisel har mycket låg rörlighet i området med nanometertjocklek på grund av korngränser och yttre defekter. Dessutom, poly-kisel bildar ett lågk-gränssnittsskikt med ferroelektrisk-HfO 2 port isolator. Detta resulterar i spänningsbortfall och laddningsfångare som förhindrar lågspänningsdrift och försämrar tillförlitligheten, såsom visas i fig. 1(b).
För att lösa dessa problem, i den här studien, vi föreslog en ferroelektrisk-HfO 2 baserad FeFET med ultratunn IGZO-kanal. IGZO är en metalloxidhalvledare och kan undvika lågk-gränssnittsskikt med en ferroelektrisk HfO 2 port isolator. Dessutom, eftersom IGZO är en halvledare av N-typ och vanligtvis används i kopplingslösa transistoroperationer, laddningsfångning, vilket är ett allvarligt problem i inversionsläge, kan undvikas såsom visas i fig. 1(b).
(a) TEM-tvärsnittsbild av en TiN/HfZrO2/IGZO-kondensator. Varje skikt var enhetligt format. HfZrO2-skiktet är likformigt kristalliserat med ferroelektrisk fas. (b) Uppmätt polarisationsladdning mot spänning hos en TiN/HfZrO2/IGZO-kondensator. Klar ferroelektricitet bekräftades.
Först, vi undersökte systematiskt optimal IGZO-kanaltjocklek. När IGZO-tjockleken minskar, SS reduceras och tröskelspänningen (Vth) ökar. För att realisera brant SS och normalt avstängd drift, 8nm valdes. Nästa, vi tillverkade en TiN/HfZrO 2 /IGZO kondensator. HfZrO 2 är det ferroelektriska skiktet. TEM-bild i tvärsnitt visar att varje skikt var enhetligt format såsom visas i fig. 2(a). GIXRD-spektrum togs och ferroelektrisk fas bekräftades. Genom elektrisk karakterisering, vi bekräftade tydlig ferroelektrisk egenskap med IGZO-tak på HfZrO 2 såsom visas i fig. 2(b).
(a) Uppmätt drainström kontra grindspänning för en FeFET med 8nm tjock IGZO-kanal. Minnesfönster på 0,5V och nästan idealisk SS på 60mV/dec uppnåddes. (b) Uppmätt fälteffektmobilitet för FeFET med IGZO-kanal. Rörlighet på 10 cm2/Vs kan vara högre än för poly-kiselkanal vid samma tjocklek.
Det bör nämnas att, i den nuvarande enhetsdesignen, en back-gate behövs med nedgrävd oxid för att fixera kroppspotentialen. Utan en bakgrind, kroppspotentialen är flytande och spänning kan inte appliceras tillräckligt på ferroelektrisk-HfO 2 grindisolator, vilket bekräftades av TCAD-simulering. Baserat på dessa enhetsdesigner, vi tillverkade en FeFET med ferroelektrisk-HfO 2 och en ultratunn IGZO-kanal. Fig. 3(a) visar den uppmätta drain-strömmen mot gate-spänningen efter applicering av skriv- och raderingspulsspänningar. Ett 0,5V minnesfönster och nästan idealisk SS på 60mV/dec erhölls. Dessutom, fälteffektrörlighet är cirka 10 cm2/Vs som visas i fig. 3(b), som kan vara högre än polykisel vid samma tjocklek.
Resultaten i denna studie kommer att öppna en ny väg för att realisera lågspänning och mycket tillförlitlig FeFET med 3-D vertikal stackstruktur. Detta leder till att IoT-kantenheter med ultralåg effekt, distribuera mycket sofistikerade nätverkssystem, och därmed tillhandahålla mer strategiska sociala tjänster med hjälp av big data.
