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Imec verbessert Lebensdauer von HZO-basierten ferroelektrischen Kondensatoren

Grenzflächenoxidtechnik ist ein wichtiger Prozessschritt zur Realisierung von FeRAM für Speichermedien und eingebettete nichtflüchtige Speicher.

Das ist eine Produktankündigung von imec. Allein der Emittent ist für den Inhalt verantwortlich.

imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, demonstriert einen ferroelektrischen Kondensator auf Lanthan-dotierter Hafnium-Zirkonat-Basis (La:HZO) mit hoher Lebensdauer (1011 Zyklen), hoher remanenter Polarisation (2PR = 30µC/cm² bei 1,8MV/cm) und reduziertem Wake-up. Die Forscher erreichten diese einzigartige Eigenschaftskombination durch Grenzflächenoxidtechnik des ferroelektrischen Kondensatormaterialstapels. Diese hochleistungsfähige, skalierbare, CMOS-kompatible ferroelektrische Kondensatortechnologie wird entscheidend sein, um FeRAM-basierte eingebettete und eigenständige Speicheranwendungen zu ermöglichen.

FeRAM ist eine Kategorie nichtflüchtiger Speicher mit dem Potenzial, als eingebetteter Speicher oder als Massenspeicher (SCM) eingesetzt zu werden und so die Lücke zwischen schnellem DRAM (~10ns Zugriffszeit) und hochdichtem NAND-Flash zu füllen. FeRAM hat eine DRAM-ähnliche 1-Transistor-1-Kondensator (1T1C)-Zellenarchitektur, bei der das Dielektrikum des Kondensators durch ein ferroelektrisches Material ersetzt wird, um Nonvolatilität zu erreichen. Dieses ferroelektrische Material kann sich in zwei verschiedenen Polarisationszuständen (+P und -P) befinden, die durch ein externes elektrisches Feld umgekehrt werden können. Seit einigen Jahren wird HZO als ferroelektrisches Material viel Aufmerksamkeit geschenkt, da es mit der CMOS-Prozesstechnik kompatibel und kleiner als 10nm skalierbar ist.

Um sich als eingebettetes oder eigenständiges SCM zu qualifizieren, sind mehrere Eigenschaften von Bedeutung. Im Idealfall hat der Kondensator der FeRAM-Speicherzelle eine hohe Lebensdauer (>1012 Schaltzyklen) in Kombination mit einer Restpolarisation 2PR von 30-40µC/cm² während der gesamten Lebensdauer. Bisher wurde über eine solche Kombination noch nie berichtet, da die Kondensatoren entweder unter einem verzögerten Wake-up (geringe 2PR zu Beginn) oder einer schnellen Ermüdung (schnell abnehmende 2PR) leiden.

"Durch Oxidtechnik an der Grenzfläche, indem wir der La:HZO-Schicht sowohl eine 1 nm dicke TiO2-Keimschicht als auch eine 2 nm dicke Nb2O5-Deckschicht hinzufügten, erreichten wir zum ersten Mal eine hohe Lebensdauer (1011 Zyklen) in Kombination mit einer endgültigen 2PR von ~30µC/cm² (bei einem angelegten elektrischen Feld von 1,8MV/cm) und einer guten anfänglichen 2PR. Dem ersten Verständnis nach erleichtert der Kontakt mit der Nb2O5-Kappe den Übergang in die gewünschte orthorhombische Phase von HZO (d.h. die ferroelektrische Phase), indem Sauerstoff in die HZO-Schicht injiziert wird, während die TiO2-Schicht die bevorzugte (002) Kornorientierung begünstigt, was zu einer höheren anfänglichen 2PR führt", erläutert Jan Van Houdt, Programmdirektor für Ferroelektrik und Fellow am imec.

Alternativ wurde mit einem anderen Vorläufer für die Ablagerung der HZO-Schicht eine rekordverdächtige 2PR von 66,5µC/cm² bei 3MV/cm erzielt, allerdings mit einer Lebensdauer von 106 Zyklen.

"Jetzt verfügen wir über eine leistungsstarke, skalierbare und CMOS-kompatible ferroelektrische Kondensatortechnologie, die uns in die nächste spannende Phase bringen wird, nämlich den Übergang von planaren zu 3D-FeRAM-Kondensatorstrukturen - unter Nutzung von ALD-Verfahren (Atomic Layer Deposition). Dies erhöht die erforderliche Dichte, um FeRAM-Speicher als neue eingebettete oder eigenständige Speicher auf den Markt zu bringen", ergänzt Jan Van Houdt.

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2023.01.25 00:30 V20.12.1-1
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