Германиевые полевые транзисторы с отрицательной емкостью:влияние состава Zr в Hf1-xZrxO2

Фон

Сегнетоэлектрический полевой транзистор с отрицательной емкостью (NCFET) с сегнетоэлектрической пленкой, вставленной в стопку затвора, является многообещающим кандидатом для приложений с малой мощностью рассеивания благодаря его способности преодолевать фундаментальные ограничения в подпороговом колебании (SS) для обычных металлических конструкций. оксидно-полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) [1]. Явление отрицательной емкости (NC) в NCFET широко изучалось в различных материалах каналов, включая кремний (Si) [2, 3], германий (Ge) [4], германий-олово (GeSn) [5], III – V [6], 2D материалы [7]. Кроме того, характеристики NC были продемонстрированы в NCFET с различными сегнетоэлектриками, такими как BiFeO ₃ [8], PbZrTiO ₃ (PZT) [9], PVDF [10] и Hf _{1− x} Zr _x О ₂ [11]. По сравнению с другими сегнетоэлектриками Hf _{1− x} Zr _x О ₂ имеет то преимущество, что он совместим с интеграцией CMOS. Экспериментальные исследования показали, что электрические характеристики NCFET можно оптимизировать, варьируя толщину и площадь Hf _{1− x} Zr _x О ₂ , который влияет на согласование емкости МОП ( C _MOS ) и сегнетоэлектрической емкости ( C _FE ) [12, 13]. Ожидается, что состав Zr в Hf _{1− x} Zr _x О ₂ также имеет большое влияние на характеристики NCFET, поскольку определяет сегнетоэлектрические свойства Hf _{1− x} Zr _x О ₂ . Однако до сих пор отсутствует подробное исследование влияния состава Zr на электрические характеристики полевых транзисторов с полевым транзистором.

В этой статье мы всесторонне изучаем влияние температуры отжига и состава Zr на характеристики Ge NCFET.

Методы

Основные этапы процесса изготовления Ge p-канальных NCFET с различным составом Zr в Hf _{1− x} Zr _x О ₂ показаны на рис. 1 (а). После предварительной очистки подложки n-Ge (001) загружали в камеру осаждения атомного слоя (ALD). Тонкий Al ₂ О ₃ (25 циклов) была нанесена пленка, за которой последовала O ₃ пассивация. Тогда Hf _{1- x} Zr _x О ₂ пленки (x =0,33, 0,48 и 0,67) были осаждены в той же камере ALD с использованием [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Hf (TDMAHf), [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Zr (TDMAZr) и H ₂ O в качестве предшественников Hf, Zr и O соответственно. После этого металлический затвор TaN был нанесен методом реактивного распыления. После формирования рисунка затвора и травления ионы бора (B ⁺ ) были имплантированы в области истока / стока (S / D) с энергией 20 кэВ и дозой 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² . Несамоцентрированные S / D-металлы были сформированы методом отрыва. Наконец, был проведен быстрый термический отжиг (RTA) при различных температурах для активации легирующей примеси, S / D металлизации и кристаллизации Hf _{1− x} Zr _x О ₂ фильм. Ge управляют полевыми МОП-транзисторами с Al ₂ О ₃ / HfO ₂ стек также был изготовлен.

( а ) Ключевые этапы процесса изготовления Ge NCFET с различным составом Zr в Hf _{1 −x} Zr _x О ₂ сегнетоэлектрики. ( б ) Схема изготовленного NC-транзистора. ( c ) ПЭМ-изображение стека затвора устройства ЧПУ, иллюстрирующее 7 нм H _0,52 Zr _0,48 О ₂ слой и 2 нм Al ₂ О ₃ слой

Рисунок 1 (b) показывает схему изготовленного NCFET. Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HRTEM) на рис. 1 (c), показывает стек затворов на канале Ge устройства с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрик. Толщина Al ₂ О ₃ и Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ слои составляют 2 нм и 7 нм соответственно.

Для подтверждения стехиометрии Hf _{1− x} Zr _x О ₂ , было выполнено измерение рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). На рис. 2 (а) и (б) показан Hf 4f и Zr 3d спектры остовного уровня фотоэлектронов соответственно для Hf _0.67 Zr _0,33 О ₂ , Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ , и Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ фильмы. Состав материалов был рассчитан на основе отношения площадей пиков и соответствующих факторов чувствительности. Два пика Zr 3d _5/2 и Zr 3d _3/2 имеют спин-орбитальное расщепление 2,4 эВ, что подтверждается работами [5,11]. [14, 15]. С увеличением состава Zr в Hf _{1− x} Zr _x О ₂ , Zr 3d , и Hf 4f пики смещаются в сторону более низкой энергии.

( а ) Hf 4f и ( b ) Zr 3d спектры основного уровня для Hf _{1− x} Zr _x О ₂ образцы с различным составом Zr

Сегнетоэлектрические свойства Hf _{1− x} Zr _x О ₂ фильмы ( x =0,33, 0,48 и 0,66) характеризовались поляризацией P от напряжения привода В измерение петель гистерезиса. P - V петли записывались на первозданных приборах. На рисунке 3 показаны кривые P по сравнению с V для TaN / Hf _{1− x} Zr _x О ₂ (10 нм) / TaN в серии управляющих напряжений. При повышении температуры после отжига с 500 до 550 ° C P - V кривые Hf _{1− x} Zr _x О ₂ имеют тенденцию быть насыщенными в состоянии подпетля. По мере увеличения состава Zr остаточная поляризация пленки, очевидно, улучшается, и наблюдается утончение петли гистерезиса при нулевом смещении, что феноменологически лучше всего можно описать как наложение антисегнетоэлектрических характеристик [16,17].

Измеренные кривые P-V Hf _1-x Пленки ZrxO2 с различным составом Zr, отожженные при 500 и 550 ^o С. ( а ) и ( b ) являются Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ пленка отожженная при 500 и 550 ^o C соответственно. ( c ) и ( d ) являются Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ пленка отожженная при 500 и 550 ^o C соответственно. ( е ) и ( f ) равны Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ пленка отожженная при 500 и 550 ^o C соответственно. С постотжигом температура увеличивается с 500 до 550 ^o C, кривые P-V Hf _1-x Zr _x О ₂ имеют тенденцию быть насыщенными в состоянии подпетля. При увеличении состава Zr наблюдается эволюция сегнетоэлектрика к антисегнетоэлектрическому поведению

Результаты и обсуждение

На рисунке 4 (а) показаны измеренные передаточные характеристики Ge NCFET с Hf _0,52 . Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрики с разными температурами отжига и устройством контроля с Al ₂ О ₃ / HfO ₂ стековый диэлектрик. Контрольное устройство отжигали при 500 ° C. Все устройства имеют длину затвора L _G 2 мкм. Прямая и обратная развертки обозначены открытыми и сплошными символами соответственно. NCFET имеют гораздо более высокий ток возбуждения по сравнению с устройством управления. Видно, что при увеличении температуры отжига от 450 до 550 ° C пороговое напряжение V _TH устройств ЧПУ смещаются на положительный V _GS направление. NCFET демонстрируют небольшой гистерезис, которым можно пренебречь с увеличением температуры RTA. Эффект захвата также приводит к гистерезису, но это приводит к появлению против часовой стрелки I _DS - V _GS петле, противоположной результатам, вызванным сегнетоэлектрическим переключением [18]. Точка SS против I _DS Кривые на рис. 4 (b) показывают, что NC-транзистор демонстрирует резкое падение в некоторых точках SS, соответствующее резкому изменению I _DS индуцированный эффектом NC [19]. Замечено, что NCFET достигают улучшенных характеристик SS по сравнению с устройством управления. Мы обнаружили, что точки внезапного падения устройств совпадают при разных температурах отжига. Измеренный I _DS - V _DS кривые NCFET с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрики, отожженные при различных температурах, показаны на рис. 4 (c). Я _DS - V _DS Кривые NC-транзистора демонстрируют очевидное явление NDR, которое является типичной характеристикой NC-транзисторов [20,21,22,23]. Рисунок 4 (d) - это графики I _DS Ge NCFET с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрический слой, отожженный при 450, 500 и 550 ° C, соответственно, при V _DS =- 0,05 В и - 0,5 В, и | V _GS - V _TH | =1,0 В. Здесь V _TH определяется как V _GS в I _DS из 10 ⁻⁷ А / мкм. Я _DS увеличивается с увеличением температуры RTA, что связано с уменьшением сопротивления истока / стока и улучшенной подвижностью носителей при более высокой температуре отжига.

( а ) Измерено I _DS - V _GS кривые для NCFET с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрик и устройство управления. ( б ) Точка SS против I _DS кривые, показывающие, что у NCFET более крутая SS по сравнению с контрольным MOSFET. ( c ) Я _DS - V _DS кривые для NCFET, демонстрирующие типичные явления NDR. ( д ) Сравнение I _DS для NCFET, отожженных при различных температурах с перегрузкой затвора 1 В

В дополнение к Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ сегнетоэлектрических транзисторов, мы также исследуем электрические характеристики Ge NC-транзисторов с Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ сегнетоэлектрик. На рисунке 5 (а) показан I _DS - V _GS характеристики устройств с ВЧ _0,33 Zr _0,67 О ₂ с разными температурами отжига при V _DS =- 0,05 В и - 0,5 В. По сравнению с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ У NC транзисторов получается еще меньший гистерезис. Аналогично Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ Транзисторы с ЧПУ, при повышении температуры отжига с 450 до 550 ° C V _TH увеличения устройства с -0,63 В до 0,51 В при прямой развертке при V _DS =- 0,05 В. Точка SS как функция от I _DS характеристики для Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ сегнетоэлектрические NCFET изображены на рис. 5 (б). Кроме того, устройства с температурой отжига 450 ° C и 500 ° C получают более очевидное резкое падение SS по сравнению с отожженным транзистором на 550 ° C. Внезапные точки падения при разных температурах отжига происходят при одном и том же напряжении затвора. На рис. 5 (c) показаны прямые и обратные I _DS Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ NCFET в V _DS =- 0,05 В и - 0,5 В, и | V _GS - V _TH | =1,0 В. Независимо от того, идет ли речь о прямой или обратной развертке, I _DS увеличивается с ростом температуры отжига, что согласуется с характеристикой Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ устройство.

( а ) Измеренные передаточные характеристики Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ NC Ge pFET отожжены от 450 до 550 ° C. ( б ) Точка SS как функция от I _DS для Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ устройств. ( c ) Я _DS для сегнетоэлектрических NC-транзисторов с разными температурами отжига при перегрузке затвора 1 В

Мы также исследуем электрические характеристики Ge NCFET с меньшим составом Zr. Передаточные характеристики Hf _0.67 Zr _0,33 О ₂ NCFET, отожженные при различных температурах отжига, представлены на рис. 6 (а). Явления гистерезиса не наблюдается. По сравнению с Hf _0,33 Zr _0,67 О ₂ и Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ устройства, V _TH сдвиг, вызванный изменением температуры отжига, менее выражен в Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ NCFET. Точка SS против I _DS кривые на рис. 6 (б) показывают, что Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ Транзистор NC показывает внезапное падение SS транзистора NC в некоторых точках при V _DS =- 0,05 В. На рис. 6 (с) представлены значения I _DS из Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ Ge NCFET отожжены при 450 ° C, 500 ° C и 550 ° C, при V _DS =- 0,05 В и - 0,5 В, и | V _GS - V _TH | =1,0 В. Аналогично, I _DS усиливается при повышении температуры RTA.

( а ) Измерено I _DS - V _GS Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ NC Ge pFET отожжены при 450 ° C, 500 ° C и 550 ° C. ( б ) Точка SS против I _DS характеристики устройств. ( c ) Я _DS для сегнетоэлектрических NC-транзисторов с разными температурами отжига при перегрузке затвора 1 В

Устойчивость эффекта NC, индуцированного сегнетоэлектрическим слоем Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ NCFET был подтвержден множественными измерениями постоянного тока. Измеренный I _DS - V _GS кривые за 100 циклов свипирования постоянного тока показаны на рис. 7 (а). Видно, что значения V _GS соответствующие крутым СС согласуются. Кроме того, по часовой стрелке I-V петли поддерживаются через несколько циклов постоянного тока. Крутые точки SS воспроизводятся и стабильны при многократном сканировании по постоянному току, что еще раз доказывает, что они вызваны NC-эффектом. На рис. 7 (b) представлена ​​лучшая точка SS и ток возбуждения по количеству циклов свипирования. На рисунке 7 (c) показаны характеристики гистерезиса как функция количества циклов качания постоянного тока. Стабильный I-V видно окно гистерезиса ~ 82 мВ.

( а ) Измерено I _DS - V _GS кривые Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ NC Ge pFET более 100 циклов свипирования по постоянному току. ( б ) Лучшая точка SS и I _DS по сравнению с номером цикла. ( c ) Характеристики гистерезиса как функция количества циклов качания постоянного тока

Мы суммируем гистерезисные и управляющие токовые характеристики Ge NCFET с различным составом Zr в Hf _{1− x} Zr _x О ₂ на рис. 8. Как показано на рис. 8 (а), значения гистерезиса составляют 70, 148 и 106 мВ для устройств с x =0,33, 0,48 и 0,67 соответственно при V _DS - 0,5 В. При увеличении состава от 0,33 до 0,48 гистерезис устройства ЧПУ значительно увеличивается. При дальнейшем увеличении состава Zr гистерезис быстро уменьшается. Я _DS NCFET, отожженных при 450 ° C, показан на рис. 8 (b), при V _DS =- 0 . 5 В и В _GS - V _TH =- 1 . 0 В. Незакрашенный и сплошной означает прямую и обратную развертку соответственно. Устройство ЧПУ с Hf _0,52 Zr _0,48 О ₂ достигает наивысшего Я _DS , но гистерезис у него серьезный. NCFET с Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ может получить отличные характеристики с кривыми без гистерезиса и высоким I _DS . По мере увеличения состава Zr сегнетоэлектрическая емкость C _fe (=0,3849 * P _r / ( E _c * т _fe ) [24]) увеличивается с увеличением P _r , а между тем, емкость МОП ( C _MOS ) также возрастает из-за роста диэлектрической проницаемости пленки HZO. Я _DS и гистерезис определяются | C _fe | и C _MOS транзистора. При увеличении состава Zr с 0,33 до 0,48 увеличение | C _fe | предполагается, что он медленнее, чем C _MOS , что приводит к увеличению гистерезиса. Тем не менее, чем больше C _MOS производит более высокое I _DS . При дальнейшем увеличении состава Zr увеличение | C _fe | быстрее, чем C _MOS , который может предоставить | C _fe | ≥ C _MOS , уменьшая гистерезис NCFET.

Статистические графики ( a ) гистерезис и ( b ) Я _DS Ge NCFET с Hf _{1− x} Zr _x О ₂ ( x =0,33, 0,48 и 0,67)

Выводы

Влияние температуры отжига и состава Zr в Hf _{1 −x} Zr _x О ₂ на электрические характеристики Ge NCFETs экспериментально изучены. Стехиометрия и сегнетоэлектрические свойства Hf _{1− x} Zr _x О ₂ были подтверждены XPS и P-V измерения соответственно. NCFET демонстрируют крутую точку SS и улучшенный I _DS по сравнению с устройством управления из-за NC-эффекта. V _TH и я _DS из Hf _{1 −x} Zr _x О ₂ NCFET сильно зависят от температуры отжига. Многократные измерения постоянного тока показывают, что стабильность NC-эффекта, вызванного сегнетоэлектрическим слоем, достигается в NCFET. Hf _0,67 Zr _0,33 О ₂ NCFET может легче достичь безгистерезисных характеристик, чем устройства с более высоким содержанием Zr.

Сокращения

Al ₂ О ₃ :

Оксид алюминия

ALD:

Осаждение атомного слоя

BF ₂ ⁺ :

Ион фторида бора

DC:

Постоянный ток

Ge:

Германий

GeO _x :

Оксид германия

HF:

Плавиковая кислота

HfO ₂ :

Диоксид гафния

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

NC:

Отрицательная емкость

Ни:

Никель

SS:

Подпороговое колебание

TaN:

Нитрид тантала

TDMAHf:

Тетракис (диметиламидо) гафний

TDMAZr:

Тетракис (диметиламидо) цирконий