Hf0.5Zr0.5O2-based ferroelectric devices for digital and analog non-volatile memories
Authors: Ζαχαράκη Χριστίνα 
Published: November 2022

Το διηλεκτρικό υλικό HfO2 έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς τα τελευταία χρόνια και έχει μπει σε βιομηχανική παραγωγή από το 2007 σαν διηλεκτρικό πύλης των τρανζίστορ τεχνολογίας CMOS. Πρόσφατα βρέθηκε ότι το HfO2 είναι σιδηροηλεκτρικό υλικό, όταν κρυσταλλωθεί στη μη κεντροσυμμετρική ορθορομβική δομή. Η κραματοποίησή του με Zr ή ο εμπλουτισμός του με Si, Ge, Al, Gd και άλλες προσμίξεις σταθεροποιεί τη σιδηροηλεκτρική φάση ή τη μετατρέπει σε αντισιδηροηλεκτρική (τετραγωνική δομή). Αυτό ανοίγει νέους δρόμους για πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των ενσωματωμένων σιδηροηλεκτρικών μη πτητικών μνημών, αφού το HfO2 και το ZrO2 είναι συμβατά με την τεχνολογία πυριτίου.Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής διερευνήθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες σύνθεσης Hf1-xZrxO2 (HZO) για την επίτευξη σιδηροηλεκτρικού υλικού. Δομές πυκνωτών μέταλλο-σιδηροηλεκτρικό-ημιαγωγός (MFS) TiN/HZO/Ge παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της εναπόθεσης με μοριακές δέσμες υποβοηθούμενης από πλάσμα ατομικού οξυγόνου/αζώτου σε θάλαμο υπερυψηλού κενού στο εργαστήριο Μοριακής Επιταξίας και Επιστήμης των Επιφανειών του ΕΚΕΦΕ-Δημόκριτος. Ο δομικός χαρακτηρισμός των πυκνωτών επιβεβαιώνει την επικράτηση της ορθορομβικής/σιδηροηλεκτρικής φάσης του ΗΖΟ και τις καθαρές ΗΖΟ/Ge διεπιφάνειες, οδηγώντας σε καλά σιδηροηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η περιοχή απογύμνωσης φορέων στην επιφάνεια του ημιαγωγού Ge, η οποία σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, και η επίδρασή της στα σιδηροηλεκτρικά χαρακτηριστικά του HZO. Από μετρήσεις της πόλωσης, του ρεύματος μετατόπισης και της χωρητικότητας πυκνωτών σε υποστρώματα γερμανίου p, n και n+ τύπου υπολογίστηκε το πεδίο αποπόλωσης συναρτήσει της θερμοκρασίας.Δύο βασικά φαινόμενα που παίζουν ρόλο στην αξιοπιστία των σιδηροηλεκτρικών διατάξεων είναι η αφύπνιση («wake-up»), δηλαδή η διεύρυνση/βελτίωση του βρόχου P-V εφαρμόζοντας μια σειρά ηλεκτρικών κύκλων, και η αποτύπωση (imprint) της πόλωσης, η οποία είναι η μερική σταθεροποίηση της μίας εκ των δύο πιθανών σιδηροηλεκτρικών καταστάσεων με την πάροδο του χρόνου. Από ηλεκτρικές μετρήσεις της πόλωσης με χρονική και θερμοκρασιακή εξάρτηση, προέκυψαν συμπεράσματα για το μηχανισμό του φαινομένου.Η παραπάνω μελέτη οδήγησε στην παρασκευή σιδηροηλεκτρικών τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FeFETs) με δομή πύλης TiN/HZO σε p-τύπου κανάλι Ge. Αντικαθιστώντας το διηλεκτρικό πύλης των συμβατικών τρανζίστορ με σιδηροηλεκτρικό, παρατηρήθηκε η αναμενόμενη μετατόπιση της χαρακτηριστικής καμπύλης Ids-Vg με την αλλαγή της πόλωσης, εμφανίζοντας ένα παράθυρο μνήμης MW = 0.55 V. Χάρη στη δυνατότητα μερικής στρέψης της πόλωσης στο ΗΖΟ, τα FeFETs εκτός από τις δύο ακραίες καταστάσεις ON και OFF, παρουσιάζουν και ενδιάμεσες καταστάσεις. Αυτό το φαινόμενο τα καθιστά κατάλληλα για εφαρμογή σε αναλογικές μη-πτητικές μνήμες, και χάρη στο μικρό πάχος οξειδίου (15 nm), λειτουργούν με χαμηλή τάση/ισχύ.Τέλος, παρουσιάζονται κάποια αρχικά αποτελέσματα σε πυκνωτές με 5 nm ΗΖΟ σε υποστρώματα ημιαγωγού Nb:SrTiO3 (NSTO) και μεταλλικό TiN ή W ως πάνω ηλεκτρόδιο, τα οποία δείχνουν λειτουργία σύναψης. Η ένταση ρεύματος των πυκνωτών μεταβάλλεται αναλόγως με την κατάσταση πόλωσης του σιδηροηλεκτρικού, κάνοντάς το να λειτουργεί σαν αναλογική μνήμη. Από μετρήσεις ρεύματος σε διάφορες θερμοκρασίες και την ανάλυσή τους, η αγωγιμότητα αποδίδεται σε θερμιονική εκπομπή Schottky και η μεταβολή του ρεύματος στη μεταβολή της αντίστασης στην επιφάνεια του ημιαγωγού, λόγω μεταβολής του φράγματος δυναμικού. Οι διατάξεις παρουσιάζουν πλαστικότητα σύναψης και είναι κατάλληλες για εφαρμογές σε νευρομορφικά δίκτυα.