3.6 nm非晶質Al₂O₃における安定な強誘電体様振る舞いがスケーラブルなマルチゲートNVFETを可能にする

概要

従来の強誘電体デバイスはスケーラビリティに欠けています。ドープHfO₂薄膜はスケーリング問題を解決する有望材料ですが、多結晶性ゆえに高漏れ電流と均一性の懸念に直面しています。3.6 nm厚の非晶質Al₂O₃薄膜において、安定な強誘電体様振る舞いが初めて実証されました。非晶質Al₂O₃デバイスは高いスケーラビリティを持ち、ナノメートルオーダーのフィンピッチを持つマルチゲート不揮発性電界効果トランジスタ（NVFET）を可能にします。また、低プロセス温度、高周波動作（~GHz）、広いメモリウィンドウ、長寿命耐久性などの利点を備え、VLSIシステムへの大きな可能性を示唆しています。電圧変調酸素空孔双極子によって誘起されるスイッチャブル分極（P）が提案されています。

背景

従来のペロブスカイト強誘電体（PZT等）ベースの強誘電体ランダムアクセスメモリ（FeRAM）は商用不揮発性メモリ（NVM）の一つでしたが[1]、スケーリング不能でCMOS非互換でした。強誘電性は、豚大動脈壁[2]、Sb₂S₃ナノワイヤー[3]、GaFeO₃薄膜[4]、ドープ多結晶HfO₂薄膜[5]、ナノ結晶ハイドロキシアパタイト薄膜[6]、LaAlO₃-SrTiO₃薄膜[7]など多様な材料で観察されてきました。これらの中で、ドープHfO₂薄膜はCMOSプロセス互換性からNVM応用で特別な関心を集めています。しかし、ドープHfO₂では強誘電性発現に多結晶構造が不可避であり、以下のデバイス応用上の障害をもたらします：1) 斜方晶相形成に必要な500°Cの熱予算によりゲートラストプロセスと非互換[8]、2) 結晶粒界沿いの望ましくない漏れ電流による消費電力が、強誘電体厚みのスケールダウンとともに指数関数的に増大。最近、理論研究により厚い多結晶HfO₂（>5 nm）における追加的強誘電性が、酸素空孔が作る電気双極子アセンブリの長距離相関に由来することが提案されました[9]。5 nm厚非晶質Al₂O₃において欠陥電荷トラッピング/デトラッピング機構による強誘電体様振る舞いがマルチステートメモリで観察されましたが、非常に低いトラッピング/デトラッピング周波数（例：~500 Hz）に悩まされていました[10]。

本研究では、3.6 nm厚非晶質Al₂O₃薄膜において安定な強誘電体様振る舞いを実証し、スイッチャブル分極（P）が電圧変調酸素空孔双極子によって誘起されることを提案します。非晶質Al₂O₃薄膜は低プロセス温度と~GHzまでの動作周波数を備え、ナノメートルスケールフィンピッチを持つマルチゲートNVFETを可能にします。100 nsパルス幅プログラム/イレーズ（P/E）電圧と10⁶サイクル以上のP/E耐久性を持つAl₂O₃ NVFETメモリを実証しました。Al₂O₃キャパシタにおける電極と膜厚のPへの影響も調査しました。非晶質不揮発性デバイスはVLSIメモリへの有望な未来を示しています。

実験方法

非晶質Al₂O₃薄膜を、原子層堆積法（ALD）によりSi(001)、Ge(001)、TaN/Si基板上に成長させました。AlとOの前駆体としてトリメチルアルミニウム（TMA）とH₂O蒸気を用いました。堆積中、基板温度を300°Cに維持しました。TaN/Ti、TaN、Wなどの異なるトップメタル電極を、反応性スパッタリングでAl₂O₃表面に堆積させました。キャパシタはリソグラフィパターニングとドライエッチングで各種電極で作製しました。350°C、30秒の急速熱アニーリング（RTA）を実施しました。TaN/Al₂O₃ゲートスタックを持つNVFETをGe(001)上に作製しました。ゲート形成後、ソース/ドレイン（S/D）領域をBF₂⁺（ドーズ 1×10¹⁵ cm⁻²、エネルギー 20 keV）でイオン注入し、20 nm厚のニッケルS/Dメタル電極をリフトオフプロセスで形成しました。図1a、bに作製Al₂O₃キャパシタとpチャネルNVFETの概略図を示します。電極とAl₂O₃膜の間に界面層（IL）が存在します。図1c、dに、350°C RTA後の異なる非晶質Al₂O₃厚み（t_AlO）を持つTaN/Al₂O₃/Geスタックの高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）像を示します。

結果と考察

図2に、異なるt_AlOと様々なトップ/ボトム電極を持つ非晶質Al₂O₃キャパシタの測定P対電圧V特性を示します。測定周波数は1 kHzです。図2a-cに示すように、固定3.6 nmのt_AlOで、TaN/Al₂O₃/GeキャパシタはTaN/TiとWトップ電極デバイスより高い飽和分極（P_sat）を達成します。強誘電体様振る舞いは界面と強く相関し、TaNとAl₂O₃間に形成されるTaAlO_x ILが、TiAlO_xとWAlO_x ILより多くの酸素空孔を生成し、より強いスイッチングPに寄与すると提案されます。図2dのP-V曲線は、TaN/Al₂O₃/TaNキャパシタがTaN/Al₂O₃/Geよりはるかに高いP_satを持つことを示し、これはデュアルTaAlO_x ILがより高い酸素空孔濃度を提供するためと帰属されます。一方、Siボトム電極を用いた場合（図2e）、Ge電極ベースデバイスと比較してP_satが著しく低下します。これはAl₂O₃/Si界面品質が良好、すなわちGe基板デバイスより酸素空孔が少ないことを示します。図2fはTaN/Al₂O₃(6 nm)/GeキャパシタのP-V曲線を示し、図2bの3.6 nm厚デバイスとほぼ同一のP_satながら、より高いV_cを示します。P-Vループが閉じていないのは、漏れ電流が存在するためです。大きな電界では零電界での大きなオフセットが常に生じ、Vのスイープ範囲を小さくすると徐々に消失することが報告されています[11, 12]。

図2g、hに、TaN/Al₂O₃/Geキャパシタの10⁴スイープサイクルにおける正負の残留分極（P_r）と保持電圧（V_c）の進化を示します。ウェークアップ、インプリント、疲労効果は観察されません。デバイスのV_cは~1.8 Vで、Al₂O₃膜内の電界Eは4~6 MV/cm、IL内では8 MV/cmを超える可能性があり、酸素空孔を駆動するには十分です[13, 14]。デバイスのP_satは1~5 μC/cm²の範囲で、電荷+2と仮定すると3~15×10¹² cm⁻²という妥当な酸素空孔濃度に対応します。

Al₂O₃デバイスにおける酸素空孔に関連した強誘電体様振る舞いの基盤メカニズムについて議論します。電圧駆動酸素空孔の移動は、抵抗変化型ランダムアクセスメモリデバイスで広く実証されています[15, 16]。図3に、TaN/Al₂O₃/GeにおけるスイッチャブルPの概略を示します。これは、電圧変調酸素空孔と負電荷の偏析による電気双極子形成に起因します。可動酸素空孔は主にTaAlO_x IL形成に由来し、初期状態ではトップ界面付近に位置すると推測されます（図3a）。図3b、cは、印加電圧下での酸素空孔と負電荷双極子の変調により、正と負のPがそれぞれどう形成されるかを示します。Al₂O₃/Geおよび（Ti、TaN、W）/Al₂O₃/Ge試料のX線光電子分光（XPS）スペクトルを測定し、図4に示します。すべてのメタル/Al₂O₃/Ge試料で、メタルとAl₂O₃間にメタル酸化物ILが形成され、これが酸素イオンと空孔の貯蔵庫になると提案され、文献[17]と整合します。

Al₂O₃ NVFETのNVMとしての電気特性を評価するため、ゲートに正（負）電圧パルスを印加し、閾値電圧（V_TH)を上昇（低下）させることでプログラム（イレーズ）動作を実現しました。図5aに、±4 Vプログラム（イレーズ）電圧、100 nsパルス幅での初期I_DS-V_GS曲線に対するAl₂O₃ NVFETの線形領域伝達特性シフトを示します。ここでV_THは100 nA·W/LでのV_GSと定義し、MWをV_THの最大変化量と定義します。Al₂O₃ NVFETは0.44 VのMWを獲得しましたが、非晶質Al₂O₃膜のP_rは報告されているドープHfO₂薄膜[5, 8]より小さいです。Al₂O₃ NVFETメモリの高動作周波数（最大10 MHz）は、Al₂O₃中のスイッチャブルPが欠陥電荷トラッピング/デトラッピングではなく、電圧駆動酸素空孔の移動による双極子形成に起因することを示唆します。プログラムとイレーズパルスを交互に印加し、デバイス耐久性をさらに調査しました。図5bにV_TH対P/Eサイクル数のプロットを示し、3.6 nm厚Al₂O₃ NVFETで10⁶ P/Eサイクル後も顕著な劣化なしに安定したMWが維持されることを示します。

特筆すべきは、非晶質Al₂O₃デバイスで観察された強誘電体様振る舞いが、ハフニウム酸化物（HfO₂）やジルコニウム酸化物（ZrO₂）など普遍的な非晶質酸化物に拡張可能であることです。

結論

薄い非晶質Al₂O₃絶縁体を持つキャパシタにおいて、安定な強誘電体様振る舞いが初めて実現されました。P-VループとNVFETテストにより、非晶質Al₂O₃キャパシタのスイッチャブルPが実証されました。強誘電体様振る舞いは、界面酸素空孔とイオン双極子に起因すると提案されます。3.6 nm厚Al₂O₃ NVFETは、±4 V、100 ns P/E条件下で0.44 VのMWと10⁶サイクル以上の耐久性を達成しました。総じて、この研究は非晶質酸化物強誘電体デバイスの新たな世界を開き、VLSIシステムにおけるナノスケールフィンピッチを持つマルチゲート（フィン形状、ナノワイヤー、ナノシート）NVFETへの応用が期待されます。

データおよび材料の入手可能性

本論文の結論を支持するデータセットは本記事に含まれています。

略語

Al₂O₃:

酸化アルミニウム

ALD:

原子層堆積法

BF₂⁺:

フッ化ホウ素イオン

E_c:

保持電界

Ge:

ゲルマニウム

GeO_x:

酸化ゲルマニウム

HRTEM:

高分解能透過電子顕微鏡

I_DS:

ドレイン電流

MOSFETs:

金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ

MW:

メモリウィンドウ

Ni:

ニッケル

NVFET:

不揮発性電界効果トランジスタ

P_r:

残留分極

P_sat:

飽和分極

RTA:

急速熱アニーリング

TaAlO_x:

タンタルアルミニウム酸化物

t_AlO:

酸化アルミニウム厚み

TaN:

窒化タンタル

V_GS:

ゲート電圧

V_TH:

閾値電圧

XPS:

X線光電子分光