酸素空孔ダイポールを用いたZrO強誘電体電界効果トランジスタの開発

ZrO Ferroelectric Field-Effect Transistors Enabled by the Switchable Oxygen Vacancy Dipoles.

• Huan Liu
• Yue Peng
• Genquan Han
• Yan Liu
• Ni Zhong
• Chungang Duan
• Yue Hao

抄録

本論文では、TaN/ZrO/GeキャパシタとFeFETの分極Pと電気特性に及ぼす、ポストラピッドサーマルアニール(RTA)とZrOの厚さの影響を調べた。その結果、2.5nm厚及び4nm厚のアモルファスZrO膜を用いたTaN/ZrO/Geキャパシタでは、350〜500℃のRTA後に安定な分極特性を示した。2.5nm, 4nm, 9nmのZrOを用いたFeFETは、100nsのプログラム/消去パルスで良好なメモリウィンドウ(MW)を示した。厚さ4nmのZrO FeFETは、2.5nmおよび9nmのZrOを用いたデバイスと比較して、疲労特性および保持特性が大幅に改善されている。ZrO FeFETの保持性能は、RTA温度の上昇に伴って改善される。4nmのZrOを用いたデバイスでは、10年以上にわたって0.46VのMWが維持されることを外挿した。

This paper investigates the impacts of post-rapid thermal anneal (RTA) and thickness of ZrO on the polarization P and electrical characteristics of TaN/ZrO/Ge capacitors and FeFETs, respectively. After the RTA ranging from 350 to 500 °C, TaN/ZrO/Ge capacitors with 2.5 and 4 nm-thick amorphous ZrO film exhibit the stable P. It is proposed that the ferroelectric behavior originates from the migration of the voltage-driven dipoles formed by the oxygen vacancies and negative charges. FeFETs with 2.5 nm, 4 nm, and 9 nm ZrO demonstrate the decent memory window (MW) with 100 ns program/erase pulses. A 4-nm-thick ZrO FeFET has significantly improved fatigue and retention characteristics compared to devices with 2.5 nm and 9 nm ZrO. The retention performance of the ZrO FeFET can be improved with the increase of the RTA temperature. An MW of ~ 0.46 V is extrapolated to be maintained over 10 years for the device with 4 nm ZrO.