Electrical characterization and analysis of energy efficient embedded non-volatile memory based on ferroelectric materials

Les matériaux ferroélectriques présentent un regain d’intérêt pour de multiples applications en microélectronique. En particulier, en 2011, il a été découvert que l'oxyde d'hafnium présente un comportement ferroélectrique. Cela ouvre la voie vers des dispositifs de mémoire de faibles dimensions et compatibles CMOS. Le CEA-LETI étudie de nouveaux matériaux ferroélectriques à base d’oxyde d’hafnium pour des applications mémoire non-volatile. Il est nécessaire d’évaluer leur comportement ferroélectrique au travers de mesures électriques dédiées, et notamment d’extraire la polarisation ferroélectrique rémanente, image de la fenêtre mémoire pour un produit mémoire, le champ coercitif, la vitesse de commutation ou encore l’endurance des dispositifs mémoire. Deux matériaux, le Hf0.5Zr0.5O2 et le HfO2 dopé silicium, sont optimisés. Il est démontré que ces deux matériaux conservent leurs propriétés ferroélectriques dans le cadre d’une intégration complète dans le Back-End-Of-Line d’une technologique CMOS au noeud technologique 130nm. Ces dispositifs sont ensuite utilisés dans un circuit mémoire de 16kbit, basé sur une architecture FeRAM 1T-1C. Les distributions d’états mémoire à l’échelle de la matrice sont mesurées et sont suffisamment séparées pour définir une fenêtre mémoire de fonctionnement garantissant l’absence d’erreurs de lecture à l’échelle de la 16kbit. Pour finir, en faisant varier la surface des condensateurs et les tensions de programmation, nous pouvons extrapoler la fenêtre mémoire dans le cas de l’intégration de cette architecture 1T-1C à des noeuds plus agressifs, suivant la tendance de densification des circuits de l’industrie de la microélectronique actuelleFerroelectric materials are recently showing, since 2011, a novel appeal for microelectronic applications as it has been shown that, under specific crystal configuration, Hafnium-based dielectrics exhibit a ferroelectric behavior. This opens the way towards highly scalable and CMOS-compatible memory devices. CEA-LETI is currently investigating novel Hafnium-based ferroelectric materials for non-volatile memory applications. One need to evaluate their ferroelectric behavior through dedicated electrical characterization techniques, and in particular, to extract the remanent polarization, which is the direct picture of the memory window for a memory product, the coercive field, the programming speed and the endurance. Moreover, through the analysis of their ferroelectric performances, two materials, Hf0.5Zr0.5O2 and silicon-doped HfO2, are optimized. Furthermore, it is demonstrated that both materials remain ferroelectric after complete integration in the Back-End-Of-Line of a 130nm CMOS technology, with compatible thermal budget. These devices are then integrated in a 16kbit memory array, based on 1T-1C FeRAM architecture. A setup dedicated to this circuit’s characterization is developed and allows the measurement of binary state distributions of the bitcells. Both distributions are demonstrated fully separated, defining an operating memory window which guarantees no bitfails at the 16kbit scale. Finally, by measuring several capacitor surfaces at various programming voltages, one can extrapolate the expected memory window of this kind of 1T-1C architecture in more advanced nodes, following the ongoing trend of densification of industrial microelectronic circuit