Оптимизация германиевых NCFET: влияние содержания циркония в Hf1−xZrxO2 на производительность

Аннотация

Германиевые (Ge) полевые транзисторы с отрицательной емкостью (NCFET) с различными составами циркония в Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 и 0,67) изготовлены и охарактеризованы. Для каждого состава циркония NCFET демонстрирует внезапное падение в некоторых точках субпорогового спада (SS), вызванное эффектом отрицательной емкости (NC). Ток стока I_DS увеличивается с повышением температуры отжига, что должно быть связано с уменьшением сопротивления источник/сток и улучшением подвижности носителей. Точки крутого SS повторяемы и стабильны через множественные измерения DC-сканирования, доказывая, что они вызваны NC-эффектом. Значения воротникового напряжения V_GS, соответствующие крутому SS, согласованы и по часовой стрелке I_DS-V_GS петли сохраняются при множественных DC-сканированиях. При фиксированной температуре отжига NC-устройство с Hf_0.52Zr_0.48O₂ достигает более высокого I_DS, но большей гистерезиса по сравнению с другими составами. NCFET с Hf_0.67Zr_0.33O₂ может получить отличную производительность с кривыми без гистерезиса и высоким I_DS.

Введение

Ферроэлектрический полевой транзистор с отрицательной емкостью (NCFET) с ферроэлектрической пленкой, встроенной в воротниковый стек, является перспективным кандидатом для низкоэнергопотребляющих приложений благодаря своей способности преодолеть фундаментальное ограничение субпорогового спада (SS) для обычного металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET). Феномены отрицательной емкости (NC) в NCFET широко изучались в разных канальных материалах, включая кремний (Si), германий (Ge), германий-олово (GeSn), III-V и 2D материалы. Также NC-характеристики демонстрировались в NCFET с различными ферроэлектриками, такими как BiFeO₃, PbZrTiO₃ (PZT), PVDF и Hf_1−xZr_xO₂. По сравнению с другими ферроэлектриками, Hf_1−xZr_xO₂ имеет преимущество совместимости с CMOS интеграцией. Экспериментальные исследования показали, что электрическая производительность NCFET может быть оптимизирована изменением толщины и площади Hf_1−xZr_xO₂, что влияет на согласование между МОП-емкостью (C_MOS) и ферроэлектрической емкостью (C_FE). Ожидается, что состав циркония в Hf_1−xZr_xO₂ также сильно влияет на производительность NCFET, так как он определяет ферроэлектрические свойства Hf_1−xZr_xO₂. Однако все еще отсутствует детальное исследование влияния состава Zr на электрические характеристики NCFET.

В этой работе мы всесторонне изучаем влияние температуры отжига и состава Zr на производительность Ge NCFET.

Методы

Ключевые технологические шаги для изготовления Ge p-канал NCFET с разными составами Zr в Hf_1−xZr_xO₂ показаны на рис. 1(a). После предворотниковой очистки n-Ge (001) подложки загружались в камеру атомно-слойного осаждения (ALD). Тонкая пленка Al₂O₃ (25 циклов) осаждалась, за которой следовала O₃ пассивация. Затем пленки Hf_1-xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 и 0,67) осаждались в той же камере ALD с использованием [(CH₃)₂N]₄Hf (TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr (TDMAZr) и H₂O в качестве предшественников Hf, Zr и O соответственно. После этого воротниковый металл TaN осаждался реактивным спуттерированием. После структурирования и травления затвора борные ионы (B⁺) имплантировались в области источник/сток (S/D) при энергии 20 кэВ и дозе 1 × 10¹⁵ см⁻². Несамо-выровненные S/D металлы формировались методом lift-off. Наконец, быстрая термическая отжиг (RTA) проводилась при различных температурах для активации легирования, металлизации S/D и кристаллизации пленки Hf_1−xZr_xO₂. Ge контрольные pMOSFET со стеком Al₂O₃/HfO₂ также изготавливались.

(a) Ключевые технологические шаги для изготовления Ge NCFET с разными составами Zr в Hf_1−xZr_xO₂ ферроэлектриках. (b) Схема изготовленного NC-транзистора. (c) TEM-изображение воротникового стека NC-устройства, иллюстрирующее 7 нм слой Hf_0.52Zr_0.48O₂ и 2 нм слой Al₂O₃

Рисунок 1(b) показывает схему изготовленного NCFET. Высокоразрешающее передаточно-электронное микроскопическое (HRTEM) изображение на рис. 1(c) показывает воротниковый стек на Ge канале устройства с ферроэлектриком Hf_0.52Zr_0.48O₂. Толщины слоев Al₂O₃ и Hf_0.52Zr_0.48O₂ составляют 2 нм и 7 нм соответственно.

Для подтверждения стехиометрий Hf_1−xZr_xO₂ проводились измерения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Рисунок 2(a) и (b) показывают спектры фотоэлектронных ядерных уровней Hf 4f и Zr 3d соответственно для пленок Hf_0.67Zr_0.33O₂, Hf_0.52Zr_0.48O₂ и Hf_0.33Zr_0.67O₂. Материальные составы рассчитывались на основе отношения площадей пиков и соответствующих чувствительных факторов. Два пика Zr 3d_5/2 и Zr 3d_3/2 имеют спин-орбитальное расщепление 2,4 эВ, что согласуется с литературой. С увеличением состава Zr в Hf_1−xZr_xO₂ пики Zr 3d и Hf 4f сдвигаются в сторону более низких энергий.

(a) Hf 4f и (b) Zr 3d ядерные спектры для образцов Hf_1−xZr_xO₂ с разными составами Zr

Ферроэлектрические свойства пленок Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 и 0,66) характеризовались измерением гистерезисных петель поляризации P в зависимости от управляющего напряжения V. P-V петли записывались на pristine устройствах. Рисунок 3 показывает кривые P vs V для образцов TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 нм)/TaN в ряде управляющих напряжений. С повышением температуры послеотжига с 500 до 550 °C, P-V кривые Hf_1−xZr_xO₂ стремятся к насыщению в суб-петлевом состоянии. По мере увеличения состава Zr остаточная поляризация пленки очевидно улучшается, и наблюдается утончение гистерезисной петли при нулевом смещении, что феноменологически лучше описывается как наложенные антиферроэлектрические характеристики.

Измеренные P-V кривые пленок Hf_1-xZr_xO₂ с разными составами Zr, отожженных при 500 и 550 °C. (a) и (b) — пленка Hf_0.67Zr_0.33O₂ при 500 и 550 °C соответственно. (c) и (d) — пленка Hf_0.52Zr_0.48O₂ при 500 и 550 °C соответственно. (e) и (f) — пленка Hf_0.33Zr_0.67O₂ при 500 и 550 °C соответственно. С повышением температуры послеотжига с 500 до 550 °C P-V кривые Hf_1-xZr_xO₂ стремятся к насыщению в суб-петлевом состоянии. Наблюдается эволюция от ферроэлектрического к антиферроэлектрическому поведению с увеличением состава Zr

Результаты и обсуждение

Рисунок 4(a) показывает измеренные передаточные характеристики Ge NCFET с ферроэлектриком Hf_0.52Zr_0.48O₂ при разных температурах отжига и контрольное устройство со стеком диэлектрика Al₂O₃/HfO₂. Контрольное устройство отжигалось при 500 °C. Все устройства имеют длину затвора L_G 2 мкм. Прямое и обратное сканирование обозначены открытыми и закрашенными символами соответственно. NCFET имеют значительно более высокий ток стока по сравнению с контрольным устройством. Видно, что с повышением температуры отжига с 450 до 550 °C пороговое напряжение V_TH NC-устройств сдвигается в положительном направлении V_GS. NCFET демонстрируют небольшую гистерезис, который становится пренебрежимо малым с увеличением температуры RTA. Ловушечный эффект также приводит к гистерезису, но он создает против часовой стрелки I_DS-V_GS петлю, противоположную результатам, индуцированным ферроэлектрическим переключением. Кривые точечного SS vs I_DS на рис. 4(b) показывают, что NC-транзистор демонстрирует внезапное падение в некоторых точках SS, соответствующее резкому изменению I_DS, индуцированному NC-эффектом. Наблюдается, что NCFET достигают улучшенных SS характеристик по сравнению с контрольным устройством. Мы обнаружили, что точки внезапного падения устройств согласованы при разных температурах отжига. Измеренные I_DS-V_DS кривые NCFET с ферроэлектриком Hf_0.52Zr_0.48O₂ отожженными при разных температурах показаны на рис. 4(c). I_DS-V_DS кривые NC-транзистора показывают явное феномен NDR, который является типичной характеристикой NC-транзисторов. Рисунок 4(d) — графики I_DS Ge NCFET с ферроэлектрическим слоем Hf_0.52Zr_0.48O₂ отожженных 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 при I_DS 10⁻⁷ А/мкм. I_DS увеличивается с повышением температуры RTA, что обусловлено уменьшением сопротивления источник/сток и улучшением подвижности носителей при более высокой температуре отжига.

(a) Измеренные I_DS-V_GS кривые для NCFET с Hf_0.52Zr_0.48O₂ ферроэлектриком и контрольным устройством. (b) Точечный SS vs I_DS кривые показывающие, что NCFET имеют более крутой SS по сравнению с контрольным MOSFET. (c) I_DS-V_DS кривые для NCFET демонстрирующие типичный NDR феномен. (d) Сравнение I_DS для NCFET отожженных при различных температурах при воротниковом переоткрытии 1 В

Помимо ферроэлектрического транзистора Hf_0.52Zr_0.48O₂, мы также исследуем электрические характеристики Ge NC транзисторов с ферроэлектриком Hf_0.33Zr_0.67O₂. Рисунок 5(a) представляет I_DS-V_GS характеристики устройств с Hf_0.33Zr_0.67O₂ при разных температурах отжига при V_DS = −0,05 В и −0,5 В. По сравнению с Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC транзисторами, получен еще меньшая гистерезис. Аналогично Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC транзисторам, по мере увеличения температуры отжига с 450 до 550 °C, V_TH устройства увеличивается от −0,63 В до 0,51 В в прямом сканировании при V_DS = −0,05 В. Точечный SS в зависимости от I_DS характеристики для Hf_0.33Zr_0.67O₂ ферроэлектрических NCFET изображены на рис. 5(b). Кроме того, устройства с температурой отжига 450 °C и 500 °C получают более очевидное внезапное падение SS по сравнению с 550 °C отожженным транзистором. Точки внезапного падения при разных температурах отжига происходят при одном и том же воротниковом напряжении. Рисунок 5(c) показывает прямое и обратное I_DS Hf_0.33Zr_0.67O₂ NCFET при V_DS = −0,05 В и −0,5 В, и |V_GS–V_TH| = 1,0 В. Будь то для прямого или обратного сканирования, I_DS увеличивается с температурой отжига, что согласуется с характеристикой Hf_0.52Zr_0.48O₂ устройства.

(a) Измеренные передаточные характеристики Hf_0.33Zr_0.67O₂ NC Ge pFET отожженных от 450 до 550 °C. (b) Точечный SS как функция I_DS для Hf_0.33Zr_0.67O₂ устройств. (c) I_DS для ферроэлектрических NC транзисторов с разными температурами отжига при воротниковом переоткрытии 1 В

Мы также исследуем электрическую производительность Ge NCFET с меньшим составом Zr. Передаточные характеристики Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET отожженных при разных температурах представлены на рис. 6(a). Гистерезис не наблюдается. По сравнению с Hf_0.33Zr_0.67O₂ и Hf_0.52Zr_0.48O₂ устройствами, сдвиг V_TH, индуцируемый изменением температуры отжига, менее выражен в Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET. Точечный SS vs I_DS кривые на рис. 6(b) показывают, что Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC транзистор демонстрирует внезапное падение в некоторых точках SS NC транзистора при V_DS = −0,05 В. Рисунок 6(c) представляет I_DS Hf_0.67Zr_0.33O₂ Ge NCFET отожженных 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. Также I_DS увеличивается с повышением температуры RTA.

(a) Измеренные I_DS-V_GS Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC Ge pFET отожженных при 450 °C, 500 °C и 550 °C. (b) Точечный SS vs I_DS характеристики устройств. (c) I_DS для ферроэлектрических NC транзисторов с разными температурами отжига при воротниковом переоткрытии 1 В

Стабильность NC-эффекта, индуцированного ферроэлектрическим слоем Hf_0.52Zr_0.48O₂ NCFET, была проверена множественными DC-сканированиями. Измеренные I_DS-V_GS кривые за 100 циклов DC-сканирования показаны на рис. 7(a). Видно, что значения V_GS, соответствующие крутому SS, согласованы. Кроме того, по часовой стрелке I-V петли сохраняются при множественных DC-сканированиях. Точки крутого SS повторяемы и стабильны через множественные DC-сканирования, что дополнительно доказывает, что они индуцированы NC-эффектом. Рисунок 7(b) представляет лучший точечный SS и ток стока в зависимости от номера цикла сканирования. Рисунок 7(c) показывает характеристики гистерезиса в зависимости от числа циклов DC-сканирования. Стабильное I-V гистерезисное окно ~ 82 мВ видно.

(a) Измеренные I_DS-V_GS кривые Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC Ge pFET за 100 циклов DC-сканирования. (b) Лучший точечный SS и I_DS vs номер цикла. (c) Характеристики гистерезиса в зависимости от числа циклов DC-сканирования

Мы обобщаем гистерезис и ток стока характеристики Ge NCFET с разными составами Zr в Hf_1−xZr_xO₂ на рис. 8. Как показано на рис. 8(a), 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. По мере увеличения состава от 0,33 до 0,48 гистерезис NC-устройства значительно увеличивается. С дальнейшим увеличением состава Zr гистерезис быстро уменьшается. I_DS NCFET отожженных при 450 °C показан на рис. 8(b), при V_DS = −0,5 В и V_GS − V_TH = −1,0 В. Открытые и закрашенные символы представляют прямое и обратное сканирование соответственно. NC-устройство с Hf_0.52Zr_0.48O₂ достигает наивысшего I_DS, но его гистерезис серьезен. NCFET с Hf_0.67Zr_0.33O₂ может получить отличную производительность с кривыми без гистерезиса и высоким I_DS. По мере увеличения состава Zr ферроэлектрическая емкость C_fe (= 0,3849*P_r/(E_c*t_fe)) увеличивается с увеличением P_r, и в то же время МОП-емкость (C_MOS) также растет из-за возрастания диэлектрической проницаемости пленки HZO. I_DS и гистерезис определяются |C_fe| и C_MOS транзистора. С увеличением состава Zr от 0,33 до 0,48 увеличение |C_fe| предполагается более медленным, чем C_MOS, приводя к расширению гистерезиса. Тем не менее, большая C_MOS производит более высокий I_DS. С дальнейшим увеличением состава Zr увеличение |C_fe| быстрее, чем C_MOS, что может обеспечить |C_fe| ≥ C_MOS, уменьшая гистерезис NCFET.

Статистические графики (a) гистерезиса и (b) I_DS Ge NCFET с Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 и 0,67)

Заключение

Влияние температуры отжига и состава Zr в Hf_1−xZr_xO₂ на электрическую производительность Ge NCFET экспериментально изучено. Стехиометрии и ферроэлектрические свойства Hf_1−xZr_xO₂ подтверждены XPS и P-V измерениями соответственно. NCFET демонстрируют крутой точечный SS и улучшенный I_DS по сравнению с контрольным устройством благодаря NC-эффекту. V_TH и I_DS Hf_1−xZr_xO₂ NCFET сильно влияют температурой отжига. Множественные DC-сканирования показывают, что стабильность NC-эффекта, индуцированного ферроэлектрическим слоем, достигнута в NCFET. Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET может легче достичь характеристик без гистерезиса, чем устройства с более высоким составом Zr.

Аббревиатуры

Al₂O₃ :

Оксид алюминия

ALD:

Атомно-слойное осаждение

BF₂ ⁺ :

Ион фторида бора

DC:

Постоянный ток

Ge:

Германий

GeO_x :

Оксид германия

HF:

Фтористоводородная кислота

HfO₂ :

Диоксид гафния

HRTEM:

Высокоразрешающий передаточный электронный микроскоп

MOSFETs:

МОП-транзисторы

NC:

Отрицательная емкость

Ni:

Никель

SS:

Субпороговый спад

TaN:

Нитрид тантала

TDMAHf:

Тетракис(диметиламидо)гафний

TDMAZr:

Тетракис(диметиламидо)цирконий