Сравнительное исследование полевых транзисторов с отрицательной емкостью и разной емкостью МОП

Введение

По мере уменьшения размера транзистора уровень интеграции интегральной схемы (ИС) постоянно растет. Необходимо срочно решить сопутствующую проблему рассеивания мощности. Чтобы обойти эту проблему, рабочее напряжение транзистора должно быть уменьшено [1]. Допороговое колебание (SS) MOSFET не может быть ниже 60 мВ / декаду при комнатной температуре, что ограничивает снижение порогового напряжения V _TH и напряжение питания В _DD [2]. Много усилий было направлено на исследования и разработку устройств с новыми механизмами переноса и переключения, позволяющих преодолеть предел Больцмана, включая полевой транзистор с отрицательной емкостью (NCEFT) [3, 4], полевые транзисторы с резистивным затвором [5], нано- электромеханический полевой транзистор (NEMFET) [6, 7], ударная ионизация металл-оксид-полупроводник (I-MOS) [8, 9] и туннельный полевой транзистор [10, 11]. Среди них NCFET привлек большое внимание, потому что он может достичь крутой SS без потери управляющего тока [12,13,14,15]. Допированный HfO ₂ (например, HfZrO _x (HZO) и HfSiO _x ) широко используется в NCFET [4, 16, 17]; он совместим с процессом CMOS [18]. Теоретическое исследование показало, что нежелательный гистерезис возникает из-за несогласованной сегнетоэлектрической емкости C _FE к базовой емкости MOS C _MOS в NCFET [19]. Однако эффект соответствия между C _FE и C _MOS электрические характеристики NCFET все еще вызывают озабоченность в ходе экспериментов.

В этой работе изучаются электрические характеристики полевых транзисторов NC Ge с различными МОП-емкостями на основе различного согласования между C _FE и C _MOS . Хотя SS менее 60 мВ / декада не проявляется, достигаются безгистерезисные характеристики передачи и лучшие электрические свойства. Видимые пики C _FE по сравнению с V _FE кривые демонстрируют NC-эффект NCFET на основе HZO. Лучшее соответствие C _FE и C _MOS способствует более крутому SS и более высокому току, что выгодно для логических приложений.

Методы

Основной процесс изготовления Ge NCFET показан на рис. 1а. В качестве исходных подложек использовались четырехдюймовые пластины n-Ge (001) с удельным сопротивлением 0,088–0,14 Ом · см. После очистки перед затвором пластины Ge загружали в камеру сверхвысокого вакуума для пассивации поверхности с использованием Si ₂ H ₆ . Использовали две продолжительности пассивации:40 и 60 мин. Тогда TaN / HZO / TaN / HfO ₂ стек был депонирован. Толщина HfO ₂ толщина диэлектрического слоя и слоя HZO FE составляет 4,35 и 4,5 нм соответственно. После формирования рисунка затвора и травления области истока / стока (S / D) были имплантированы с использованием ионов бора (B ⁺ ) при энергии 30 кэВ и дозе 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² . Металлический S / D-металл Никель был получен методом отрыва. Наконец, был проведен быстрый термический отжиг при 450 ° C в течение 30 с. Управляющий MOSFET с TaN / HfO ₂ стек также был изготовлен. На рисунках 1b и c показаны схемы изготовленных NCFET и управляющих MOSFET соответственно. Внутренний металлический затвор в изготовленном NCFET уравновешивает потенциал на поверхности канала, который называется структурой MFMIS.

а Основные этапы процесса изготовления изготовленных устройств с ЧПУ. Схема изготовленного б NCFET и c управление MOSFET

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показаны измеренные значения I _DS - V _GS кривые пары NCFET и контрольного MOSFET с пассивацией поверхности 40 мин. Оба устройства имеют длину затвора L . _G 3,5 мкм. Устройство ЧПУ с 40-минутной пассивацией имеет значительно улучшенный I _DS чем управляющий полевой МОП-транзистор. Передаточные кривые NCFET не имеют гистерезиса. Точка SS против I _DS Кривые на рис. 2b показывают, что транзистор с NC имеет улучшенную SS по сравнению с устройством управления, хотя SS ниже 60 мВ / декада не появляется. На рисунке 2с показано, что транзистор с ЧПУ имеет значительно увеличенную линейную крутизну G . _м над устройством управления на V _DS - 0,05 В. На рис. 3 сравниваются электрические характеристики NCFET и управляющего MOSFET с пассивацией поверхности в течение 60 мин. Точно так же I _DS , точка SS и G _м NCFET превосходит управляющий MOSFET.

а Измеренный I _DS - V _GS кривые NCFET и контрольного MOSFET с 40-минутной пассивацией. Сравнение b точка SS против I _DS и c G _м характеристики между NC FET и управляющим MOSFET

а Измеренный I _DS - V _GS кривые NCFET и контрольного MOSFET с 60-минутной пассивацией. Сравнение b точка SS против I _DS и c G _м характеристики между NCFET и управляющим MOSFET

На рисунке 4a показаны статистические результаты тока возбуждения NCFET и управляющих MOSFET при V . _DS от - 0,05 В и В _GS - V _TH =- 1,0 В. NCFET демонстрируют улучшение I на 18,7% и 35,6% _DS для пассивации поверхности 60 мин и 40 мин соответственно по сравнению с контрольными приборами. Предполагается, что NCFET, пассивированные в течение 40 минут, имеют лучшее соответствие между C _MOS и C _FE через устройства ЧПУ с 60 мин. На рис. 4b показано, что NCFET дает улучшение максимальной крутизны на 26,4% и 51,3% G . _{м, не более} для пассивации поверхности 60 мин и 40 мин соответственно по сравнению с контрольными приборами. Видно, что контрольные МОП-транзисторы с пассивацией поверхности в течение 40 мин имеют более высокое значение I _DS и G _{м, не более} чем устройства, пассивированные в течение 60 мин, что связано с большей C _MOS вызвано меньшей эквивалентной толщиной оксида ( E _ОТ ). Внутренний металлический затвор обеспечивает плоскость уравнивания потенциалов; устройство можно эквивалентно смоделировать как емкостной делитель напряжения. Общая емкость C _G представляет собой серию C _FE и C _MOS . Напряжение внутреннего затвора усиливается за счет NC-эффекта. Коэффициент усиления внутреннего напряжения β =∣ C _ИП ∣ / ∣ C _ИП ∣ - C _MOS получает максимум, когда | C _MOS | =| C _FE | [20, 21]. Достижение оптимального соответствия C _FE и C _MOS является предпосылкой улучшения текущего состояния.

Статистический a Я _DS и b G _м результаты NCFET и управляющих MOSFET с продолжительностью пассивации 40 и 60 минут

Извлеченный V _int от напряжения затвора В _GS кривые показаны на рис. 5а. V _int транзистора с ЧПУ можно извлечь из гипотезы, что I _DS - V _int кривая NC-транзистора точно такая же, как у I _DS - V _GS кривая устройства управления. Коэффициент усиления внутреннего напряжения dV _int / dV _GS показан на рис. 5б. d V _int / d V _GS > 1 достигается в широком диапазоне развертки V _GS для NCFET с 40-минутной пассивацией поверхности, что способствует более крутой SS, чем устройство управления во время процесса измерения, что связано с локальным переключением поляризации [22]. Это согласуется с вышеупомянутыми результатами на рис. 2b. Для NCFET с 60-минутной пассивацией коэффициент усиления внутреннего напряжения d V _int / d V _GS > 1 достигается в диапазоне V _GS <0 В для двойной развертки V _GS , что согласуется с приподнятым СС на рис. 3б.

а Извлечено V _int как функция от V _GS кривые. б Коэффициент усиления внутреннего напряжения в зависимости от В _GS кривые

На рисунке 6а показан извлеченный C _MOS по сравнению с V _GS кривые для NC транзистора, который полагается на V _int - V _GS на рис. 5a и C _G - V _GS кривые управляющих полевых МОП-транзисторов. Извлеченный C _MOS хорошо согласуется с измеренными C _Г. Таким образом, демонстрируется справедливость метода расчета. C _FE и C _MOS по сравнению с V _FE кривые изображены на рис. 6б. С момента запуска NC-эффекта абсолютное отрицательное значение C _FE транзистора превышает C _MOS для двойного подметания V _GS все время на рис. 6б. | C _FE |> C _MOS и C _FE <0 может вызвать характеристики без гистерезиса, и совпадение C _MOS и C _FE полезен для логических приложений [23, 24]. Безгистерезисные характеристики на рис. 2a и 3a наблюдаются за счет согласования всех доменов и подавления захвата заряда [25]. Устойчивое переключение поляризации отвечает за негистерезисные характеристики [26]. Кроме того, большое внутреннее усиление затвора d V _int / d V _G > 1 объясняется небольшим расхождением между | C _FE | и C _MOS в подпороговой области, что приводит к крутому SS устройства NC. Между тем, существует лучшее соответствие между C _FE и C _MOS для NCFET с 40-минутной пассивацией, чем для NCFET с 60-минутной пассивацией. Таким образом, это является прямым доказательством того, что NCFET с 40-минутной пассивацией обладает лучшими электрическими характеристиками, чем NCFET с 60-минутной пассивацией. Поляризация FE изменяет V _FE ; следовательно, заряд FE варьируется. Суммарный заряд увеличивается в несколько раз, что связано с поляризацией FE помимо увеличения V . _GS . Другими словами, для данного V _GS , заряд в канале увеличивается, поэтому I _DS улучшается. Как следствие, в экспериментах появляется крутой СС передаточной характеристики.

а Измерено C _G и извлекли C _MOS как функция от V _GS . б C _FE и C _MOS по сравнению с V _FE кривые

Выводы

Характеристики передачи без гистерезиса получены для полевых транзисторов NCFET с пассивацией в течение 40 и 60 минут. NC Ge pFET с 40-минутной пассивацией имеют лучшие электрические характеристики, чем NC-устройство с 60-минутной пассивацией в экспериментах. Мы также демонстрируем NC-эффект NCFET на основе HZO. Для NCFET крутые SS и d V _int / d V _GS > 1 получается. NCFET с 40-минутной пассивацией показал хорошее соответствие между C _FE и C _MOS , что способствует негистерезисным характеристикам. Считается, что различное поведение НК связано с переключением микроскопических доменных стенок в тонких пленках СЭ.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

B ⁺ :

Ионы бора

E _ОТ :

Эквивалентная толщина оксида

полевые транзисторы:

Полевые транзисторы

HZO:

HfZrO _x

IC:

Интегральная схема

I-MOS:

Ударная ионизация металл-оксид-полупроводник

MOS:

Металлооксидный полупроводник

NC:

Отрицательная емкость

NCFET:

Полевой транзистор с отрицательной емкостью

NEMFET:

Наноэлектромеханический полевой транзистор

S / D:

Источник / сток

SS:

Подпороговое колебание