Vertical ferroelectric thin-film transistor array with a 10-nm gate length for high-density three-dimensional memory applications

材料科学 铁电性 非易失性存储器 光电子学 哈夫尼亚 晶体管 与非门 制作 逻辑门 电子工程 电气工程 电压 电介质 医学 立方氧化锆 陶瓷 替代医学 病理 复合材料 工程类
作者
Ik‐Jyae Kim,Min‐Kyu Kim,Jang‐Sik Lee
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:121 (4) 被引量:20
标识
DOI:10.1063/5.0097795
摘要

Hafnia-based ferroelectric thin-film transistors (FeTFTs) are regarded as promising candidates for future nonvolatile memory devices owing to their low power consumption, high operational speed, and complementary metal–oxide–semiconductor compatibility. However, the scalability of hafnia-based materials and the feasibility of three-dimensional (3D) device fabrication should be confirmed for ultrahigh-density memory applications. In this work, we demonstrate that FeTFTs can be scaled down to a 10-nm dimension using the vertical structure with a hafnia-based ferroelectric gate insulating layer and an oxide semiconductor channel. We show that such vertical FeTFTs can be operated with an effective device size of 0.005 μm2, a fast operation speed of <100 ns, and a high endurance of 108 cycles. Additionally, the string-level NAND operation is demonstrated using the vertical FeTFT array. Finally, device simulation confirms the possibility of ultrahigh-density 3D ferroelectric NAND with 200 gate stacks. These results demonstrate the ultrahigh scalability of FeTFTs as a promising candidate for next-generation 3D nonvolatile memory.
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