Полевой транзистор ZrOx с отрицательной емкостью с подпороговым поведением качания ниже 60

Фон

Поскольку дополнительные металлооксидные полупроводниковые (КМОП) устройства постоянно сокращаются, технология интегральных схем (ИС) вступила в эпоху «большей, чем эра Мура». Движущей силой индустрии и технологий ИС становится снижение энергопотребления вместо миниатюризации транзисторов [1, 2]. Однако тирания Больцмана в отношении полевых МОП-транзисторов, SS более 60 мВ / декада ограничила эффективность использования энергии / мощности [3]. В последние годы многие предложенные новые устройства обладают способностью достигать размаха порога ниже 60 мВ / декаду, включая полевые МОП-транзисторы с ударной ионизацией, туннельные полевые транзисторы и полевые транзисторы NCFET [4,5,6,7]. Благодаря простой конструкции, крутой SS и улучшенному току возбуждения, NCFET с сегнетоэлектрической (СЭ) пленкой были расценены как привлекательная альтернатива среди этих новых устройств [8,9,10]. Описанные эксперименты с NCFET в основном включают PbZrTiO ₃ (PZT), P (VDF-TrFE) и HfZrO _x (HZO) [11,12,13,14,15,16,17]. Однако высокая температура процесса и нежелательный ток утечки затвора по границам зерен поликристаллических сегнетоэлектрических материалов ограничили их развитие для узлов с современной технологией [18,19,20,21,22,23,24,25 , 26]. В последнее время сегнетоэлектричество в аморфном Al ₂ О ₃ и ZrO _x пленки с модулированными по напряжению диполями кислородных вакансий были исследованы [27,28,29]. По сравнению с кристаллическими аналогами аморфные сегнетоэлектрические пленки обладают значительными преимуществами в снижении температуры процесса и тока утечки. Таким образом, проводятся массовые исследования FeFET с аморфным изолятором затвора для приложений энергонезависимой памяти и аналоговых синапсов [27, 30,31,32,33,34]. Однако систематическое исследование однотранзисторного ZrO _x на базе NCFET не проводилось.

В этой работе Ge NCFET с 5 нм ZrO _x сегнетоэлектрический диэлектрический слой и 5 нм Al ₂ О ₃ / HfO ₂ были предложены сегнетоэлектрические диэлектрические слои. Мы экспериментально наблюдали крутой наклон менее 60 мВ / десятилетие в ZrO _x (5 нм) NCFET, что можно отнести к NC-эффекту ZrO _x сегнетоэлектрический слой. И мы проанализировали поляризацию P как функция приложенного напряжения В для Ge / ZrO _x Конденсаторы TaN. Сегнетоэлектрическое поведение Ge / ZrO _x Конденсаторы / TaN индуцируются диполями кислородных вакансий, индуцированными напряжением. Более того, мы отнесли улучшенный I _DS и внезапное падение я _G в Аль ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET и ZrO _x NCFET с эффектом NC. Мы также наблюдали явление NDR в Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET и ZrO _x NCFET. Кроме того, мы дополнительно проанализировали физический механизм индуцированного межфазными диполями эффекта пониженного NC в Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET. ZrO _x NCFET с крутым наклоном менее 60 мВ / декаду, улучшенным напряжением стока и низким рабочим напряжением будут подходить для проектирования NCFET с низким энергопотреблением в «эпоху больше, чем Мура».

Методы

Основные этапы процесса для NCFET с ZrO _x и Al ₂ О ₃ / HfO ₂ Изготовление показано на рис. 1а. Различные диэлектрические изоляторы затвора, в том числе Al ₂ О ₃ / аморфный HfO ₂ (5 нм) пленки и аморфный ZrO _x Пленки (4,2 нм) были выращены на подложках n-Ge (001) методом атомно-слоистого осаждения (ALD) при 300 ° C. TMA, TDMAHf, TDMAZr и H ₂ Пары O использовались в качестве предшественников Al, Hf, Zr и O соответственно. Время импульса и время продувки прекурсоров Hf и Zr составляют 1,6 с и 8 с соответственно. Время импульса и время продувки предшественников Al составляют 0,2 с и 8 с соответственно. Затем верхний электрод затвора из TaN был нанесен на HfO ₂ . или ZrO _x поверхности реактивным напылением. Области истока / стока (S / D) определялись литографией и сухим травлением. После этого бор (B ⁺ ) и никель (Ni) был нанесен в области истока / стока (S / D). Наконец, быстрый термический отжиг (RTA) при 350 ° C в течение 30 с в течение 10 ⁸ Па в атмосфере азота. На рис. 1b, d показаны схемы изготовленного Al ₂ . О ₃ / HfO ₂ NCFET и ZrO _x NCFET. Изображение, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HRTEM) на рис. 1c, показывает аморфный HfO ₂ (5 нм) пленка на Ge (001) с Al ₂ О ₃ межфазный слой. Изображение HRTEM на рис. 1e показывает аморфный ZrO _x (4.2 нм) на Ge (001). C – V-кривая ZrO _x NCFET и рентгеновские фотоэлектронные спектры (XPS) TaN / ZrO _x Конденсаторы (4,2 нм) / Ge были измерены в Дополнительном файле 1:Рис. S1.

а Основные этапы процесса изготовления Al ₂ О ₃ / 5 нм HfO ₂ NCFET и 4,2 нм ZrO _x NCFET. б Схемы и c Изображения HRTEM изготовленного ZrO _x NCFET. г Схемы и е Изображения HRTEM изготовленного Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET

Результаты и обсуждение

На рисунке 2а показаны измеренные кривые поляризации P v.s. приложенное напряжение В характеристики для Ge / ZrO _x / Конденсаторы TaN на 3,3 кГц. Длина ворот ( L _G ) конденсаторов 8 мкм. Замечено, что остаточная поляризация P _r Ge / ZrO _x / Конденсаторы TaN могут быть улучшены за счет увеличения диапазона качания В . Сегнетоэлектрическое поведение аморфного ZrO _x Предполагается, что пленка на рис. 2а образована диполями кислородных вакансий, управляемыми напряжением [35]. На рисунке 2b показаны измеренные значения P – V кривые для Ge / ZrO _x / Конденсаторы TaN на разные частоты от 200 до 10 кГц. Мы видим, что сегнетоэлектрическое поведение аморфного ZrO _x Пленка остается стабильной на всех частотах. Однако P _r аморфного ZrO _x пленка уменьшена с повышенными частотами. Это явление можно объяснить неполным переключением диполей при высоких частотах измерения [36, 37]. По мере увеличения частот измерения время изменения направления электрического поля в аморфном ZrO _x пленка уменьшается. Таким образом, переключение диплоёв кислородных вакансий происходит не полностью, что снижает P _r .

Измерено P по сравнению с V характеристики 4,2 нм ZrO _x конденсаторы с a различные диапазоны развертки V и b разные частоты измерения

На рис. 3а показаны измеренные значения I _DS - V _GS кривые сегнетоэлектрика Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET на V _DS от - 0,05 В и - 0,5 В. На L _G устройств составляет 3 мкм. Петли гистерезиса 0,14 В ( В _DS =- 0,05 В, I _ds =1 нА / мкм) и 0,08 В ( V _DS =- 0,5 В, I _ds =1 нА / мкм) соответственно. Петли гистерезиса по часовой стрелке объясняются миграцией кислородных вакансий и сопровождающими их отрицательными зарядами. Диполи кислородных вакансий накапливаются (истощаются) в Ge / Al ₂ О ₃ интерфейс под положительным (отрицательным) V _GS . Следовательно, пороговое напряжение ( В _TH ) увеличивается (уменьшается) при прямом (обратном) качании напряжений затвора. Как показано на рис. 3b, выходные характеристики Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET и контрольный полевой транзистор сравниваются. Ток насыщения Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET превышает 26 мкА / мкм, что на 23% больше, чем у контрольного полевого транзистора при | V _GS - V _TH | =| V _DS | =0,8 В. Повышение тока вызвано увеличением интенсивности инверсионного заряда ( Q _inv ) в электрическом поле обратной поляризации и усилении поверхностного потенциала [38, 39]. Помимо текущего улучшения, полученный очевидный NDR доказывает NC-эффект аморфного HfO ₂ фильм. Эффект NDR вызван неполным переключением диполей кислородных вакансий из-за связи стока с каналом как V _DS увеличивается [40, 41]. На рисунке 3c сравниваются измеренные утечки на затворе I _G - V _GS кривые для 5 нм Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET на V _DS от - 0,05 В до - 0,5 В. Резкие перепады I _G только во время обратной развертки указывают на пониженное напряжение в аморфном HfO ₂ пленка и усиление поверхностного потенциала [42]. Отсутствие NC-эффекта при прямой развертке вызвано частичным переключением диполей кислородных вакансий в аморфном HfO ₂ фильм [43]. Различная способность содержать атомы кислорода между Al ₂ О ₃ и HfO ₂ слой приводит к перераспределению кислорода и отрицательным межфазным диполям в Al ₂ О ₃ / HfO ₂ интерфейс [44, 45]. Из-за наличия отрицательных межфазных диполей для аморфного HfO ₂ трудно пленка для реализации полного переключения поляризации (NC-эффект) при прямой развертке (дополнительный файл 1).

а Измерено I _DS - V _GS кривые 5 нм HfO ₂ NCFET, когда V _DS =- 0,5 В и В _DS =- 0,05 В. b Измерено I _DS - V _DS кривые HfO ₂ NCFET и управляющий полевой МОП-транзистор. c Измерено I _G - V _GS кривые 5 нм HfO ₂ NCFET, когда V _DS =- 0,5 В и В _DS =- 0,05 В

На рисунке 4а показаны измеренные кривые передачи сегнетоэлектрика ZrO _{x .} NCFET на V _DS от - 0,05 В и - 0,5 В. На L _G двух устройств - 4 мкм. Петли гистерезиса по часовой стрелке 0,24 В ( V _DS =- 0,05 В, I _ds =1 нА / мкм) и 0,14 В ( V _DS =- 0,5 В, I _DS =1 нА / мкм) соответственно. Как показано на рис. 4b, выходные характеристики ZrO _x NCFET и контрольный полевой транзистор сравниваются. Ток насыщения ZrO _x NCFET превышает 30 мкА / мкм, что на 12% больше, чем у контрольного полевого транзистора при | V _GS - V _TH | =| V _DS | =1 В. Улучшенное усиление тока и более очевидный NDR указывают на усиленный NC-эффект аморфного ZrO _x пленка (5 нм) контрастирует с 5 нм HfO ₂ фильм. На рисунке 4c сравниваются измеренные утечки на затворе I _G - V _GS кривые для 5 нм ZrO _x NCFET на V _DS от - 0,05 В до - 0,5 В. По сравнению с внезапным I _G капли Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET только во время обратной развертки на рис. 3c, внезапные падения I _G как прямая, так и обратная развертка на рис. 4c также доказывают усиленный эффект NC в аморфном ZrO _x фильм.

а Измерено I _DS - V _GS кривые 5 нм ZrO _x NCFET, когда V _DS =- 0,5 В и В _DS =- 0,05 В. b Измерено I _DS - V _DS кривые ZrO _x NCFET и управляющий MOSFET демонстрируют очевидный феномен NDR. c Измерено I _G - V _GS кривые 5 нм ZrO _x NCFET, когда V _DS =- 0,5 В и В _DS =- 0,05 В

На рис. 5а, б показана точка SS как функция от I . _DS для Al ₂ О ₃ / HfO ₂ и ZrO _x NCFET на V _DS - 0,05 В и - 0,5 В. Как показано на рис. 5b, подпороговое колебание (SS) ниже 60 мВ / декада может быть достигнуто во время прямого или обратного качания V _GS на V _DS от - 0,05 В и - 0,5 В. Когда V _DS составляет - 0,05 В, точечная прямая SS 45,1 мВ / дек и обратная точка 55,2 мВ / дек. Когда V _DS составляет 0,5 В, точечная прямая SS 51,16 мВ / дек и обратная точка 46,52 мВ / дек. Из-за различной способности поглощать Al ₂ О ₃ / HfO ₂ и ZrO _x в слое, переключение частичных диполей происходит в Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET. Следовательно, более очевидный NC-эффект с SS менее 60 мВ / декада достигается в 5 нм ZrO _x NCFET.

Точка SS как функция от I _DS для а Аль ₂ О ₃ / 5 нм HfO ₂ NCFET и b 5 нм ZrO _x NCFET

Выводы

Сообщаем о демонстрации сегнетоэлектрика NC ZrO _x pFET-транзисторы с SS менее 60 мВ / декада, низким рабочим напряжением 1 В и гистерезисом менее 60 мВ. Воздействие аморфного ZrO2 _x Сегнетоэлектрическое поведение пленок объясняется диполями кислородных вакансий. Улучшенный I _DS и явление NDR также получают в Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET и ZrO _x NCFET по сравнению с устройством управления. Подавленный NC-эффект Al ₂ О ₃ / HfO ₂ NCFET можно отнести к частичному переключению диполей из-за межфазных диполей на Al ₂ О ₃ / HfO ₂ интерфейс. ZrO _x Полевые транзисторы NCFET с крутым наклоном менее 60 мВ / декаду, улучшенным напряжением стока и низким рабочим напряжением открывают новый путь для проектирования NCFET с низким энергопотреблением в будущем.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

TaN:

Нитрид тантала

ZrO _x :

Диоксид циркония

TDMAZr:

Тетракис (диметиламидо) цирконий

P _r :

Остаточная поляризация

E _c :

Коэрцитивное электрическое поле

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл – оксид – полупроводник

Ge:

Германий

ALD:

Осаждение атомного слоя

B ⁺ :

Ион бора

Al ₂ О ₃ :

Оксид алюминия

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

Ни:

Никель

RTA:

Оплаченный термический отжиг

I _DS :

Слить ток

V _GS :

Напряжение затвора

V _TH :

Пороговое напряжение

NCFET:

Полевой транзистор с отрицательной емкостью