(a) Schema di FeFET a base ferroelettrico-HfO2 con struttura a pila verticale 3D per un'elevata capacità di memoria. Il polisilicio è tipicamente usato come materiale di canale. In questo lavoro, proponiamo di utilizzare IGZO come materiale di canale. (b) Illustrazione schematica delle attuali sfide del canale polisilicio e possibile soluzione del canale IGZO. Il polisilicio ha una bassa mobilità nella regione dello spessore del nanometro e forma uno strato interfacciale a basso k che causa perdita di tensione e intrappolamento di carica.
Come parte del programma JST PRESTO, Professore associato Masaharu Kobayashi, Istituto di Scienze Industriali, l'Università di Tokyo, ha sviluppato un FET ferroelettrico (FeFET) con ferroelettrico-HfO 2 e canale IGZO ultrasottile. Sono state dimostrate un'oscillazione sottosoglia (SS) quasi ideale e una mobilità superiore al canale in polisilicio.
FeFET è un dispositivo di memoria promettente a causa della sua bassa potenza, ad alta velocità e ad alta capacità. Dopo la scoperta del ferroelettrico-HfO . compatibile con CMOS 2 Materiale, FeFET ha attirato più attenzione. Per una capacità di memoria ancora maggiore, La struttura a pila verticale 3D è stata proposta come mostrato in Fig. 1 (a).
Per la struttura a pila verticale 3D, il polisilicio è tipicamente usato come materiale di canale. Però, il polisilicio ha una mobilità molto bassa nella regione dello spessore nanometrico a causa dei bordi dei grani e dei difetti estrinseci. Inoltre, il polisilicio forma uno strato interfacciale a basso k con ferroelettrico-HfO 2 isolante per cancello. Ciò si traduce in perdita di tensione e intrappolamento di carica che impedisce il funzionamento a bassa tensione e degrada l'affidabilità, rispettivamente come mostrato in Fig. 1 (b).
Per risolvere questi problemi, in questo studio, abbiamo proposto un ferroelettrico-HfO 2 basato su FeFET con canale IGZO ultrasottile. IGZO è un semiconduttore di ossido di metallo e può evitare lo strato interfacciale a basso k con un HfO ferroelettrico 2 isolante per cancello. Inoltre, poiché IGZO è un semiconduttore di tipo N e tipicamente utilizzato nelle operazioni di transistor senza giunzione, intrappolamento della carica, che è un problema serio nel funzionamento in modalità inversione, può essere evitato come mostrato in Fig. 1 (b).
(a) Immagine TEM in sezione trasversale di un condensatore TiN/HfZrO2/IGZO. Ogni strato è stato formato uniformemente. Lo strato di HfZrO2 è cristallizzato uniformemente avente fase ferroelettrica. (b) Carica di polarizzazione misurata rispetto alla tensione di un condensatore TiN/HfZrO2/IGZO. La chiara ferroelettricità è stata confermata.
Primo, abbiamo studiato sistematicamente lo spessore ottimale del canale IGZO. Al diminuire dello spessore dell'IGZO, SS si riduce e la tensione di soglia (Vth) aumenta. Per realizzare SS ripide e operazioni normalmente spente, È stato scelto 8 nm. Prossimo, abbiamo fabbricato un TiN/HfZrO 2 /IGZO condensatore. HfZrO 2 è lo strato ferroelettrico. L'immagine TEM in sezione trasversale mostra che ogni strato è stato formato uniformemente come mostrato in Fig. 2 (a). È stato preso lo spettro GIXRD ed è stata confermata la fase ferroelettrica. Per caratterizzazione elettrica, abbiamo confermato la chiara proprietà ferroelettrica con il limite IGZO su HfZrO 2 come mostrato in Fig. 2 (b).
(a) Corrente di drain misurata rispetto alla tensione di gate di un FeFET con canale IGZO di 8 nm di spessore. Sono stati raggiunti una finestra di memoria di 0,5 V e SS quasi ideale di 60 mV/dec. (b) Mobilità ad effetto di campo misurata del FeFET con canale IGZO. La mobilità di 10 cm2/Vs può essere superiore a quella del canale in polisilicio a parità di spessore.
Si dovrebbe notare che, nell'attuale design del dispositivo, è necessario un back-gate con ossido sepolto per fissare il potenziale del corpo. Senza un backgate, il potenziale del corpo è fluttuante e la tensione non può essere applicata a sufficienza sul ferroelettrico-HfO 2 isolante per cancello, che è stato confermato dalla simulazione TCAD. Sulla base di questi progetti di dispositivi, abbiamo fabbricato un FeFET con ferroelettrico-HfO 2 e un canale IGZO ultrasottile. La Fig. 3(a) mostra la corrente di drain misurata rispetto alla tensione di gate dopo aver applicato le tensioni di impulso di scrittura e cancellazione. È stata ottenuta una finestra di memoria di 0,5 V e SS quasi ideale di 60 mV/dec. Inoltre, la mobilità ad effetto di campo è di circa 10 cm2/Vs come mostrato in Fig. 3 (b), che può essere più alto del polisilicio a parità di spessore.
I risultati di questo studio apriranno un nuovo percorso per la realizzazione di FeFET a bassa tensione e altamente affidabili con struttura a stack verticale 3D. Ciò porta all'abilitazione di dispositivi edge IoT a bassissima potenza, distribuzione di un sistema di rete altamente sofisticato, e fornendo così servizi sociali più strategici utilizzando i big data.
