Als onderdeel van het JST PRESTO-programma, Universitair hoofddocent Masaharu Kobayashi, Instituut voor Industriële Wetenschappen, de Universiteit van Tokio, heeft een ferro-elektrische FET (FeFET) ontwikkeld met ferro-elektrisch-HfO ₂ en ultradun IGZO-kanaal. Bijna ideale subthreshold swing (SS) en mobiliteit hoger dan polysiliciumkanaal zijn aangetoond.

FeFET is een veelbelovend geheugenapparaat vanwege zijn lage stroomverbruik, hoge snelheid en hoge capaciteit. Na de ontdekking van CMOS-compatibel ferro-elektrisch-HfO ₂ materiaal, FeFET trekt steeds meer aandacht. Voor een nog hogere geheugencapaciteit, Een 3-D verticale stapelstructuur is voorgesteld zoals getoond in figuur 1 (a).

Voor 3D verticale stapelstructuur, polysilicium wordt typisch gebruikt als kanaalmateriaal. Echter, polysilicium heeft een zeer lage mobiliteit in het gebied van nanometerdikte als gevolg van korrelgrenzen en extrinsieke defecten. Bovendien, poly-silicium vormt een low-k grenslaag met ferro-elektrisch-HfO ₂ poort isolator. Dit resulteert in spanningsverlies en vastlopen van de lading, wat een lage spanningswerking verhindert en de betrouwbaarheid verslechtert. respectievelijk zoals getoond in Fig. 1(b).

Om deze problemen op te lossen, in dit onderzoek, we hebben een ferro-elektrische HfO . voorgesteld ₂ gebaseerde FeFET met ultradun IGZO-kanaal. IGZO is een metaaloxide-halfgeleider en kan een laag-k-grensvlaklaag vermijden met een ferro-elektrische HfO ₂ poort isolator. Bovendien, aangezien IGZO een N-type halfgeleider is en typisch wordt gebruikt in junctieloze transistorbewerkingen, lading vangen, wat een ernstig probleem is in de inversiemodus, kan worden vermeden zoals weergegeven in Fig. 1(b).

Eerst, we hebben systematisch de optimale IGZO-kanaaldikte onderzocht. Naarmate de IGZO-dikte afneemt, SS wordt verlaagd en drempelspanning (Vth) neemt toe. Om steile SS en normaal-uit werking te realiseren, Er is gekozen voor 8nm. Volgende, we maakten een TiN/HfZrO ₂ /IGZO-condensator. HfZrO ₂ is de ferro-elektrische laag. Dwarsdoorsnede TEM-beeld laat zien dat elke laag uniform was gevormd zoals weergegeven in figuur 2 (a). Het GIXRD-spectrum werd genomen en de ferro-elektrische fase werd bevestigd. Door elektrische karakterisering, we hebben duidelijke ferro-elektrische eigenschappen bevestigd met IGZO-afdekking op HfZrO ₂ zoals getoond in Fig. 2(b).

Het zou genoteerd moeten worden dat, in het huidige apparaatontwerp, er is een achterpoort nodig met begraven oxide om het lichaamspotentieel te fixeren. Zonder achterom, lichaamspotentiaal zweeft en spanning kan niet voldoende worden toegepast op de ferro-elektrische HfO ₂ poort isolator, wat werd bevestigd door TCAD-simulatie. Op basis van deze apparaatontwerpen, we hebben een FeFET gefabriceerd met ferro-elektrisch-HfO ₂ en een ultradun IGZO-kanaal. Fig. 3(a) toont de gemeten afvoerstroom versus poortspanning na het aanleggen van schrijf- en wispulsspanningen. Er werd een 0,5V-geheugenvenster en een bijna ideale SS van 60mV/dec verkregen. In aanvulling, veldeffectmobiliteit is ongeveer 10 cm2/Vs, zoals weergegeven in Fig. 3(b), die bij dezelfde dikte hoger kan zijn dan polysilicium.

De resultaten in deze studie zullen een nieuw pad openen voor het realiseren van laagspannings en zeer betrouwbare FeFET met 3D verticale stapelstructuur. Dit leidt tot het mogelijk maken van ultralow power IoT edge-apparaten, het inzetten van een zeer geavanceerd netwerksysteem, en dus meer strategische sociale diensten te bieden met behulp van big data.