[論文レビュー] One nanometer HfO$_2$-based ferroelectric tunnel junctions on silicon

Suraj Cheema, Nirmaan Shanker+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、シリコン上に原子層エピタキシー法で成長した1 nmのジルコニウムドープHfO₂障壁を有するフェロエレクトリックトンネルジャンクション（FTJ）を示し、低読み取り電圧下で記録的な19,000%のトンネル電気抵抗と、1 A cm⁻²を超える高いオン状態電流密度を達成した。超薄膜で、CMOSと互換性のあるフェロエレクトリック障壁は、同時に高い電気抵抗と大きなトンネル電流を実現し、HfO₂ベースのFTJの超微細スケーリングにおける主な制限を克服する。

ABSTRACT

In ferroelectric materials, spontaneous symmetry breaking leads to a switchable electric polarization, which offers significant promise for nonvolatile memories. In particular, ferroelectric tunnel junctions (FTJs) have emerged as a new resistive switching memory which exploit polarization-dependent tunnel current across a thin ferroelectric barrier. Here we demonstrate FTJs with CMOS-compatible Zr-doped HfO$_2$ (Zr:HfO$_2$) ferroelectric barriers of just 1 nm thickness, grown by atomic layer deposition on silicon. These 1 nm Zr:HfO$_2$ tunnel junctions exhibit large polarization-driven electroresistance (19000$\%$), the largest value reported for HfO$_2$-based FTJs. In addition, due to just a 1 nm ferroelectric barrier, these junctions provide large tunnel current (> 1 A/cm$^2$) at low read voltage, orders of magnitude larger than reported thicker HfO$_2$-based FTJs. Therefore, our proof-of-principle demonstration provides an approach to simultaneously overcome three major drawbacks of prototypical FTJs: a Si-compatible ultrathin ferroelectric, large electroresistance, and large read current for high-speed operation.

研究の動機と目的

• 従来のHfO₂ベースのフェロエレクトリックトンネルジャンクション（FTJ）に見られる、不十分な電気抵抗と超薄膜障壁厚さにおける低トンネル電流といった制限を克服すること。
• 1 nmスケールで強固なフェロエレクトリシティを維持する、CMOSと互換性のある超薄膜フェロエレクトリック障壁をシリコン上に実現すること。
• 高速で低消費電力のメモリ動作を実現するため、同時に大きなトンネル電気抵抗（TER）と高いオン状態電流密度を達成すること。
• 実用的な動作条件下での耐久性と保持特性の妥当性を、1 nm Zr:HfO₂ FTJを用いて検証すること。

提案手法

• 原子層エピタキシー法（ALD）を用いて、1 nmのジルコニウムドーピングHfO₂フェロエレクトリック障壁をシリコン基板上に成長させ、1 nmの熱 thermally grown SiO₂バッファ層と50 nmのWキャピングを備えた。
• Wキャピング下で500 °Cで後処理アニールを施すことにより、拘束応力によってフェロエレクトリック正方晶相（Pca2₁）が安定化された。
• 放射線散乱法（XRR）、斜入射回折法（GID）、および逆空間マッピングを用いて、Zr:HfO₂の超薄膜で高配向性かつ極性を持つ正方晶相が確認された。
• ピエゾレスポンス力顕微鏡法（PFM）のスイッチングスペクトロスコピーにより、180°の極性ヒステリシスが確認され、1 nm膜におけるフェロエレクトリシティが裏付けられた。
• スイッチング依存のトンネル特性を評価するために、段階的書き込みと固定読み取り波形を用いたパルスI-V測定が実施された。
• トンネル電気抵抗（TER）は、(J_on - J_off)/J_off × 100%として定量化され、J_onおよびJ_offは低読み取り電圧（例：200 mV）で測定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMOSと互換性のあるプロセスを用いて、シリコン基板上に1 nmのZr:HfO₂膜にフェロエレクトリシティを安定化させることは可能か？
• RQ2 1 nmのHfO₂ベースのFTJで達成可能な最大トンネル電気抵抗（TER）はどの程度か？ また、それらはより厚い膜やペロブスカイト系代替品と比較してどうなるか？
• RQ3 1 nmのHfO₂ベースのFTJで、低読み取り電圧下にあっても高いトンネル電流密度（>1 A cm⁻²）を達成できるか？ これにより高速で低消費電力の動作が可能になるか？
• RQ4 1 nm Zr:HfO₂ FTJの耐久性と保持特性は、繰り返しスイッチングおよび長時間保存条件下でどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 1 nm Zr:HfO₂フェロエレクトリックトンネルジャンクションは、HfO₂ベースのFTJとして記録的な19,000%のトンネル電気抵抗（TER）を示し、報告済みの最大値である。
• 200 mVの読み取り電圧下でオン状態電流密度が1 A cm⁻²を超えており、以前に報告されたより厚いHfO₂ベースのFTJと比較して10倍の増加を示している。
• 約150 mVの読み取り電圧で、最大のオン/オフ導電率比190が達成され、強い極性依存トンネル効果が確認された。
• 耐久性試験では、±2.8 V/−2.5 Vのスイッチングを1,000サイクル繰り返しても、安定した10×のオン/オフ導電率比が維持された。これは、優れたスイッチング安定性を示している。
• 保持特性測定では、最大10⁴秒まで大きなTERウインドウが維持された。これは、以前の1 nm Zr:HfO₂ PFM保持特性結果と整合的である。
• 1 nm Zr:HfO₂ FTJは、シリコン上に作製されたすべての以前に報告されたHfO₂ベースのFTJ、さらにはエpitaxialペロブスカイト系FTJに対しても、TERと電流密度の両面で優れている。