作為JST PRESTO計劃的一部分，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所副教授Masaharu Kobayashi開發(fā)了一種鐵電FET(FeFET)，其具有鐵電-HfO 2和超薄IGZO通道。已經(jīng)證明了幾乎理想的亞閾值擺幅(SS)和高于多晶硅通道的遷移率。

FeFET是一種很有前途的存儲器件，因為它具有低功耗，高速和高容量的特點。在發(fā)現(xiàn)CMOS兼容的鐵電-HfO 2材料之后，F(xiàn)eFET引起了更多的關(guān)注。對于更高的存儲容量，已經(jīng)提出了3-D垂直堆棧結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。

對于3-D垂直堆疊結(jié)構(gòu)，多晶硅通常用作溝道材料。然而，由于晶界和外在缺陷，多晶硅在納米厚度區(qū)域具有非常低的遷移率。此外，多晶硅與鐵電-HfO 2柵極絕緣體形成低k界面層。這導(dǎo)致電壓損失和電荷俘獲，其分別防止低電壓操作和降低可靠性，如圖1(b)所示。

為了解決這些問題，在本研究中，我們提出了一種具有超薄IGZO通道的鐵電-HfO 2基FeFET。IGZO是金屬氧化物半導(dǎo)體并且可以避免具有鐵電HfO 2柵極絕緣體的低k界面層。此外，由于IGZO是N型半導(dǎo)體并且通常用于無結(jié)晶體管操作，所以可以避免電荷俘獲，這是反轉(zhuǎn)模式操作中的嚴重問題，如圖1(b)所示。

首先，我們系統(tǒng)地研究了最佳IGZO通道厚度。隨著IGZO厚度減小，SS減小并且閾值電壓(Vth)增加。為了實現(xiàn)陡峭的SS和常關(guān)操作，選擇了8nm。接下來，我們制造了TiN / HfZrO 2 / IGZO電容器。HfZrO 2是鐵電層。橫截面TEM圖像顯示每層均勻地形成，如圖2(a)所示。取GIXRD光譜并確認鐵電相。通過電學(xué)表征，我們證實了在HfZrO 2上具有IGZO封端的明顯鐵電性質(zhì)，如圖2(b)所示。

應(yīng)當(dāng)注意，在當(dāng)前的器件設(shè)計中，需要具有掩埋氧化物的背柵以固定體電位。在沒有背柵的情況下，體電位浮動并且電壓不能充分施加在鐵電-HfO 2柵極絕緣體上，這通過TCAD模擬得到證實。基于這些器件設(shè)計，我們制造了具有鐵電-HfO 2和超薄IGZO通道的FeFET 。圖3(a)顯示了在施加寫入和擦除脈沖電壓之后測量的漏極電流與柵極電壓的關(guān)系。獲得0.5V存儲器窗口和幾乎理想的60mV / dec的SS。此外，如圖3(b)所示，場效應(yīng)遷移率約為10cm2 / Vs，在相同厚度下可高于多晶硅。

本研究的成果將為實現(xiàn)具有三維垂直堆疊結(jié)構(gòu)的低電壓和高可靠性FeFET開辟一條新途徑。這導(dǎo)致實現(xiàn)超低功耗物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備，部署高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而利用大數(shù)據(jù)提供更具戰(zhàn)略性的社會服務(wù)。