En enhed opstår fra fusionen af ​​IGZO og ferroelektrisk-HfO2

Som en del af JST PRESTO-programmet, Lektor Masaharu Kobayashi, Institut for Industrividenskab, universitetet i Tokyo, har udviklet en ferroelektrisk FET (FeFET) med ferroelektrisk-HfO ₂ og ultratynd IGZO-kanal. Næsten ideel subthreshold swing (SS) og mobilitet højere end poly-silicium kanal er blevet demonstreret.

FeFET er en lovende hukommelsesenhed på grund af dens lave effekt, høj hastighed og høj kapacitet. Efter opdagelsen af ​​CMOS-kompatibel ferroelektrisk-HfO ₂ materiale, FeFET har tiltrukket sig mere opmærksomhed. For endnu højere hukommelseskapacitet, 3-D lodret stabelstruktur er blevet foreslået som vist i fig. 1(a).

Til 3-D lodret stakstruktur, poly-silicium bruges typisk som et kanalmateriale. Imidlertid, polysilicium har meget lav mobilitet i nanometertykkelsesområdet på grund af korngrænser og ydre defekter. I øvrigt, poly-silicium danner et lav-k grænsefladelag med ferroelektrisk-HfO ₂ portisolator. Dette resulterer i spændingstab og ladningsindfangning, som forhindrer lavspændingsdrift og forringer pålideligheden, som vist i fig. 1(b).

For at løse disse problemer, i dette studie, vi foreslog en ferroelektrisk-HfO ₂ baseret FeFET med ultratynd IGZO-kanal. IGZO er en metal-oxid-halvleder og kan undgå lav-k grænsefladelag med en ferroelektrisk HfO ₂ portisolator. I øvrigt, da IGZO er en N-type halvleder og typisk bruges i forbindelsesløse transistoroperationer, ladningsfangst, hvilket er et alvorligt problem i inversion mode drift, kan undgås som vist i fig. 1(b).

Først, vi undersøgte systematisk den optimale IGZO-kanaltykkelse. Efterhånden som IGZO-tykkelsen falder, SS reduceres, og tærskelspændingen (femte) stiger. For at realisere stejl SS og normalt slukket drift, 8nm blev valgt. Næste, vi fremstillede en TiN/HfZrO ₂ /IGZO kondensator. HfZrO ₂ er det ferroelektriske lag. TEM-billede i tværsnit viser, at hvert lag var ensartet dannet som vist i fig. 2(a). GIXRD-spektrum blev taget, og ferroelektrisk fase blev bekræftet. Ved elektrisk karakterisering, vi bekræftede klar ferroelektrisk egenskab med IGZO-loft på HfZrO ₂ som vist i fig. 2(b).

Det skal bemærkes, at i det nuværende enhedsdesign, en bagdør er nødvendig med begravet oxid for at fiksere kropspotentialet. Uden bagdør, kropspotentialet er flydende, og spændingen kan ikke påføres tilstrækkeligt på ferroelektrisk-HfO ₂ port isolator, hvilket blev bekræftet af TCAD-simulering. Baseret på disse enhedsdesign, vi fremstillede en FeFET med ferroelektrisk-HfO ₂ og en ultratynd IGZO-kanal. Fig. 3(a) viser den målte dræn-strøm versus gate-spænding efter påføring af skrive- og sletteimpulsspændinger. Et 0,5V hukommelsesvindue og næsten ideel SS på 60mV/dec blev opnået. Ud over, felteffektmobilitet er omkring 10 cm2/Vs som vist i fig. 3(b), som kan være højere end polysilicium i samme tykkelse.

Præstationerne i denne undersøgelse vil åbne en ny vej til realisering af lavspændings- og yderst pålidelig FeFET med 3-D vertikal stakstruktur. Dette fører til at aktivere IoT-kantenheder med ultralav strøm, implementering af meget sofistikeret netværkssystem, og dermed levere mere strategiske sociale tjenester ved at udnytte big data.