3.6 nm非晶Al₂O₃中的稳定铁电样行为助力可扩展多栅NVFET

摘要

传统铁电器件面临可扩展性不足的挑战。掺杂HfO₂薄膜虽有望解决尺寸缩放问题，但因多晶本质导致漏电流大、均匀性差。本文首次在3.6 nm厚非晶Al₂O₃薄膜中演示了稳定的铁电样行为。非晶Al₂O₃器件具有高度可扩展性，可实现纳米级鳍间距的多栅非易失性场效应晶体管(NVFET)。其还具备低工艺温度、高频(~GHz)、宽存储窗口、长寿命等优势，极具VLSI系统应用潜力。提出了由电压调控氧空位偶极子诱导的可切换极化(P)机制。

背景

基于传统钙钛矿铁电体(如PZT)的铁电随机存取存储器(FeRAM)虽是商业化非易失性存储器(NVM)之一[1]，但难以缩放且不兼容CMOS工艺。铁电性已在多种材料中观测到，如猪主动脉壁[2]、Sb₂S₃纳米线[3]、GaFeO₃薄膜[4]、掺杂多晶HfO₂薄膜[5]、纳米晶羟基磷灰石薄膜[6]、LaAlO₃-SrTiO₃薄膜[7]等。其中，掺杂HfO₂薄膜因兼容CMOS工艺而备受NVM应用关注。但掺杂HfO₂中铁电性的产生不可避免地需要多晶结构，这给器件应用带来障碍：1) 与后栅工艺不兼容，因形成正交晶相需500°C热预算[8]；2) 晶界沿程的非期望漏电流导致功耗，随铁电层厚度缩减呈指数级增加。近期理论研究提出，厚多晶HfO₂(>5 nm)的额外铁电性可能源于氧空位产生的电偶极子长程关联[9]。缺陷电荷捕获/脱捕机制在5 nm厚非晶Al₂O₃中产生铁电样行为用于多态存储，但捕获/脱捕频率极低(如~500 Hz)[10]。

本文在3.6 nm厚非晶Al₂O₃薄膜中演示了稳定铁电样行为，提出可切换极化(P)由电压调控的氧空位偶极子诱导。非晶Al₂O₃薄膜具备低工艺温度、高达~GHz工作频率等优势，可实现纳米级鳍间距的多栅NVFET。演示了100 ns脉冲宽度程序/擦除(P/E)电压和超过10⁶次P/E循环耐久性的Al₂O₃ NVFET存储器。还研究了电极和薄膜厚度对Al₂O₃电容器P的影响。非晶非易失性器件在VLSI存储器中展现广阔前景。

实验方法

利用原子层沉积(ALD)在Si(001)、Ge(001)和TaN/Si衬底上生长非晶Al₂O₃薄膜。前驱体为TMA和H₂O蒸汽，沉积温度维持300°C。不同顶部金属电极(TaN/Ti、TaN、W)通过反应溅射沉积在Al₂O₃表面。电容器通过光刻图案化和干法刻蚀制备。快速热退火(RTA)在350°C下进行30秒。TaN/Al₂O₃栅极堆叠的NVFET在Ge(001)上制备。栅极形成后，源/漏(S/D)区经BF₂⁺注入(剂量1×10¹⁵ cm⁻²，能量20 keV)，再经剥离工艺形成20 nm厚镍S/D金属电极。图1a、b展示Al₂O₃电容器和p沟道NVFET示意图。电极与Al₂O₃薄膜间存在界面层(IL)。图1c、d为不同非晶Al₂O₃厚度(t_AlO)经350°C RTA后TaN/Al₂O₃/Ge堆叠的HRTEM图像。

结果与讨论

图2展示不同t_AlO和不同顶/底电极非晶Al₂O₃电容器的P-V特性，测量频率1 kHz。图2a-c显示，固定3.6 nm t_AlO下，TaN/Al₂O₃/Ge电容器比TaN/Ti和W顶电极器件获得更高饱和极化(P_sat)。铁电样行为与界面强相关，推测TaN与Al₂O₃间形成的TaAlOₓ IL产生更多氧空位，比TiAlOₓ和WAlOₓ IL贡献更强的切换P。图2d显示TaN/Al₂O₃/TaN电容器比TaN/Al₂O₃/Ge具有更高P_sat，归因于双TaAlOₓ IL提供更高氧空位浓度。图2e显示Si底电极器件P_sat显著低于Ge底电极，表明Al₂O₃/Si界面质量更好(氧空位更少)。图2f展示TaN/Al₂O₃(6 nm)/Ge电容器P-V曲线，与3.6 nm器件(图2b)相比具有更高V_c和近似P_sat。注意：P-V回线未闭合是因存在漏电流。文献报道大电场下零电场处的大偏移随扫描电压范围减小逐渐消失[11,12]。

图2g、h显示TaN/Al₂O₃/Ge电容器经10⁴次扫描循环后正/负剩余极化(P_r)和矫顽电压(V_c)演变。未观测到唤醒、印记或疲劳效应。器件V_c约1.8 V，表明Al₂O₃薄膜中电场E为4~6 MV/cm，IL中可超8 MV/cm，足以驱动氧空位[13,14]。器件P_sat范围1-5 μC/cm²，对应合理氧空位浓度3~15×10¹² cm⁻²(假设电荷为+2)。

讨论Al₂O₃器件中氧空位相关铁电样行为的潜在机制。电压驱动氧空位迁移在电阻式随机存取存储器中已广泛证实[15,16]。图3展示TaN/Al₂O₃/Ge中可切换P的示意图，源于电压调控氧空位与负电荷偏离形成电偶极子。推断可移动氧空位主要源于TaAlOₓ IL形成，初始状态位于顶部界面附近(图3a)。图3b、c分别展示正/负P在施加电压下氧空位和负电荷偶极子调控形成过程。XPS测试Al₂O₃/Ge和(Ti、TaN、W)/Al₂O₃/Ge样品(图4)。所有金属/Al₂O₃/Ge样品中金属与Al₂O₃间均形成金属氧化物IL，作为氧离子和空位的储库，与文献[17]一致。

为表征Al₂O₃ NVFET作为NVM的电学性能，施加正/负电压脉冲到栅极实现编程(擦除)，提升(降低)阈值电压(V_TH)。图5a展示3.6 nm Al₂O₃ NVFET线性区传输特性随±4 V、100 ns脉冲宽度编程/擦除电压相对初始I_DS-V_GS曲线的偏移。V_TH定义为100 nA·W/L处的V_GS，存储窗口(MW)定义为V_TH最大变化量。Al₂O₃ NVFET获得0.44 V MW，虽非晶Al₂O₃ P_r小于报道的掺杂HfO₂薄膜[5,8]。值得注意的是Al₂O₃ NVFET存储器高达10 MHz工作频率，表明Al₂O₃中可切换P源于电压驱动氧空位迁移形成偶极子，而非缺陷电荷捕获/脱捕。施加交替编程/擦除脉冲研究耐久性，图5b显示3.6 nm Al₂O₃ NVFET经10⁶次P/E循环MW稳定无显著退化。

值得注意的是，非晶Al₂O₃器件观测到的铁电样行为可推广到通用非晶氧化物，如氧化铪(HfO₂)和氧化锆(ZrO₂)。

结论

首次在薄非晶Al₂O₃绝缘层电容器中实现稳定铁电样行为。通过P-V回线和NVFET测试演示了非晶Al₂O₃电容器中的可切换P。铁电样行为推测源于界面氧空位和离子偶极子。3.6 nm Al₂O₃ NVFET在±4 V、100 ns P/E条件下实现0.44 V MW和超过10⁶次循环耐久性。总之，该工作为非晶氧化物铁电器件开辟新天地，有望用于VLSI系统中具有潜在纳米级鳍间距的多栅(鳍状、纳米线或纳米片)NVFET。