Dans le cadre du programme JST PRESTO, Professeur agrégé Masaharu Kobayashi, Institut des sciences industrielles, l'Université de Tokyo, a développé un FET ferroélectrique (FeFET) avec ferroélectrique-HfO 2 et canal IGZO ultrafin. Une oscillation sous-seuil (SS) presque idéale et une mobilité supérieure à celle du canal poly-silicium ont été démontrées.

FeFET est un dispositif de mémoire prometteur en raison de sa faible consommation, haute vitesse et haute capacité. Après la découverte du ferroélectrique-HfO compatible CMOS 2 Matériel, FeFET a attiré plus d'attention. Pour une capacité de mémoire encore plus élevée, Une structure d'empilement vertical en 3D a été proposée comme le montre la figure 1(a).

Pour la structure de pile verticale 3-D, le polysilicium est généralement utilisé comme matériau de canal. Cependant, le polysilicium a une très faible mobilité dans la région d'épaisseur nanométrique en raison des joints de grains et des défauts extrinsèques. De plus, le poly-silicium forme une couche interfaciale à faible k avec le ferroélectrique-HfO 2 isolant de porte. Il en résulte une perte de tension et un piégeage de charge qui empêchent le fonctionnement en basse tension et dégradent la fiabilité, respectivement comme représenté sur la figure 1(b).

Pour résoudre ces problèmes, dans cette étude, nous avons proposé un ferroélectrique-HfO 2 à base de FeFET avec canal IGZO ultrafin. IGZO est un semi-conducteur à oxyde métallique et peut éviter la couche interfaciale à faible k avec un HfO ferroélectrique 2 isolant de porte. De plus, puisque IGZO est un semi-conducteur de type N et généralement utilisé dans les opérations de transistors sans jonction, piégeage des charges, ce qui est un problème sérieux dans le fonctionnement en mode d'inversion, peut être évité comme le montre la figure 1(b).

D'abord, nous avons systématiquement étudié l'épaisseur optimale du canal IGZO. Au fur et à mesure que l'épaisseur de l'IGZO diminue, SS est réduite et la tension de seuil (Vth) augmente. Pour réaliser un SS raide et un fonctionnement normalement éteint, 8 nm a été choisi. Prochain, nous avons fabriqué un TiN/HfZrO 2 /Condensateur IGZO. HfZrO 2 est la couche ferroélectrique. L'image MET en coupe transversale montre que chaque couche a été uniformément formée comme le montre la figure 2 (a). Le spectre GIXRD a été pris et la phase ferroélectrique a été confirmée. Par caractérisation électrique, nous avons confirmé une propriété ferroélectrique claire avec un plafonnement IGZO sur HfZrO 2 comme le montre la figure 2(b).

Il faut noter que, dans la conception actuelle de l'appareil, une porte arrière est nécessaire avec de l'oxyde enterré pour fixer le potentiel du corps. Sans porte arrière, le potentiel du corps est flottant et la tension ne peut pas être suffisamment appliquée sur le ferroélectrique-HfO 2 isolant de porte, ce qui a été confirmé par la simulation TCAD. Sur la base de ces conceptions d'appareils, nous avons fabriqué un FeFET avec ferroélectrique-HfO 2 et un canal IGZO ultrafin. La figure 3(a) montre le courant de drain mesuré par rapport à la tension de grille après application des tensions d'impulsion d'écriture et d'effacement. Une fenêtre de mémoire de 0,5 V et un SS presque idéal de 60 mV/déc ont été obtenus. En outre, la mobilité à effet de champ est d'environ 10 cm2/Vs comme le montre la figure 3(b), qui peut être plus élevé que le poly-silicium à la même épaisseur.

Les réalisations de cette étude ouvriront une nouvelle voie pour réaliser un FeFET basse tension et hautement fiable avec une structure de pile verticale 3D. Cela conduit à activer des appareils de périphérie IoT à très faible consommation, le déploiement d'un système de réseau hautement sophistiqué, et ainsi fournir des services sociaux plus stratégiques utilisant les mégadonnées.