High-Performance Operation and Solder Reflow Compatibility in BEOL-Integrated 16-kb HfO2: Si-Based 1T-1C FeRAM Arrays

电容器 材料科学 电气工程 工程类 电压 冶金
作者
T. François,J. Coignus,Adam Makosiej,Bastien Giraud,C. Carabasse,Justine Barbot,Sébastien Martin,N. Castellani,T. Magis,H. Grampeix,S. Van Duijn,C. Mounet,P. Chiquet,Uwe Schroeder,Stefan Slesazeck,Thomas Mikolajick,E. Nowak,M. Bocquet,N. Barrett,F. Andrieu
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (4): 2108-2114 被引量:16
标识
DOI:10.1109/ted.2021.3138360
摘要

16-kb 1T-1C ferroelectric random access memory (FeRAM) arrays are demonstrated for 130-nm node technology with TiN/HfO 2 :Si/TiN ferroelectric capacitors integrated into the back-end-of-line (BEOL). The 0- and 1-state distributions measured on the arrays demonstrate perfect yield at 4.8-V operation, with extrapolations suggesting that the memory window (MW) is still open at six-sigma statistics. A programming speed down to 4 ns at 4 V is highlighted at the array level, together with an endurance up to $10^{{7}}$ cycles. Promising data retention up to $10^{{4}}$ s at 125 °C is measured on the arrays and, for the first time, solder reflow compatibility is demonstrated for HfO 2 -based FeRAM. The MW on 16-kb arrays remains open when using a 2.5-V programming voltage and when the capacitor area is decreased from 0.36 $\mu \text{m}^{{2}}$ down to 0.16 $\mu \text{m}^{{2}}$ , with a calculated programming energy lower than 100 fJ/bit. These results pave the way to competitive ultralow-power embedded nonvolatile memories (NVM) at more advanced nodes.
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