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一种装置从IGZO和铁电 – HfO2的熔合中出现

具有3D垂直堆叠结构的铁电-HfO2基FeFET的示意图,用于高存储容量。 多晶硅通常用作沟道材料。在这项工作中,我们建议使用IGZO作为通道材料。 (b)多晶硅通道当前挑战的示意图以及IGZO通道可能的解决方案。 多晶硅在纳米厚度区域具有低迁移率并形成低k界面层,这导致电压损失和电荷俘获。

作为JST PRESTO计划的一部分,东京大学工业科学研究所副教授Masaharu Kobayashi开发了一种铁电FET(FeFET),其具有铁电-HfO 2和超薄IGZO通道。 已经证明了几乎理想的亚阈值摆幅(SS)和高于多晶硅通道的迁移率。

FeFET是一种很有前途的存储器件,因为它具有低功耗 , 高速和高容量的特点。 在发现CMOS兼容的铁电-HfO 2材料之后,FeFET引起了更多的关注。 对于更高的存储容量,已经提出了3-D垂直堆栈结构,如图1(a)所示。

对于3-D垂直堆叠结构,多晶硅通常用作沟道材料。 然而,由于晶界和外在缺陷,多晶硅在纳米厚度区域具有非常低的迁移率。 此外,多晶硅与铁电-HfO 2栅极绝缘体形成低k界面层。 这导致电压损失和电荷俘获,其分别防止低电压操作和降低可靠性,如图1(b)所示。

为了解决这些问题,在本研究中,我们提出了一种具有超薄IGZO通道的铁电-HfO 2基FeFET。 IGZO是金属氧化物半导体并且可以避免具有铁电HfO 2栅极绝缘体的低k界面层。 此外,由于IGZO是N型半导体并且通常用于无结晶体管操作,所以可以避免电荷俘获,这是反转模式操作中的严重问题,如图1(b)所示。

首先,我们系统地研究了最佳IGZO通道厚度。 随着IGZO厚度减小,SS减小并且阈值电压(Vth)增加。 为了实现陡峭的SS和常关操作,选择了8nm。 接下来,我们制造了TiN / HfZrO 2 / IGZO电容器。 HfZrO 2是铁电层。 横截面TEM图像显示每层均匀地形成,如图2(a)所示。 取GIXRD光谱并确认铁电相。 通过电学表征,我们证实了在HfZrO 2上具有IGZO封端的明显铁电性质,如图2(b)所示。

应当注意,在当前的器件设计中,需要具有掩埋氧化物的背栅以固定体电位。 在没有背栅的情况下,体电位浮动并且电压不能充分施加在铁电-HfO 2栅极绝缘体上,这通过TCAD模拟得到证实。 基于这些器件设计,我们制造了具有铁电-HfO 2和超薄IGZO通道的FeFET。 图3(a)显示了在施加写入和擦除脉冲电压之后测量的漏极电流与栅极电压的关系。 获得0.5V存储器窗口和几乎理想的60mV / dec的SS。 此外,如图3(b)所示,场效应迁移率约为10cm2 / Vs,其可以高于相同厚度的多晶硅。

本研究的成果将为实现具有三维垂直堆叠结构的低电压和高可靠性FeFET开辟一条新途径。 这导致实现超低功耗物联网边缘设备,部署高度复杂的网络系统,从而利用大数据提供更具战略性的社会服务。

· 2019-06-29 18:55  本新闻来源自:phys,版权归原创方所有

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