Сравнительный анализ FET с негативной емкостью при различных MOS емкостях

Аннотация

Демонстрирован эффект негативной емкости (NC) в HfZrOₓ-базирующих полевых транзисторах (FET) экспериментально. Достигнуто улучшение I_DS, SS и G_m NCFET по сравнению с контрольным MOS FET. В эксперименте нижние MIS транзисторы с разным временем пассивации эквивалентны NC устройствам с разными MOS емкостями. При этом электрические свойства NCFET с 40 мин пассивации превосходят NCFET с 60 мин пассивации благодаря хорошему соответствию между C_FE и C_MOS. Хотя SS ниже 60 мВ/декада не достигнут, получены гистерезис-свободные передаточные характеристики, полезные для логических приложений.

Введение

С уменьшением размеров транзистора уровень интеграции ИС неуклонно растет. Сопутствующая проблема рассеивания мощности требует срочного решения. Для обхода этой проблемы рабочее напряжение транзистора должно быть снижено. Субпороговый наклон (SS) MOSFET не может быть ниже 60 мВ/декада при комнатной температуре, что ограничивает снижение порогового напряжения V_TH и напряжения питания V_DD. Много усилий уделяется разработке устройств с новыми механизмами транспорта и переключения для преодоления боловмана предела, включая NCFET, резистивный затвор FET, нано-электромеханический FET (NEMFET), импакт-ионизационный MOS (I-MOS), туннельный FET. Среди них NCFET привлекло внимание, так как может достичь крутого SS без потери тока управления. Легированный HfO₂ (например, HfZrOₓ (HZO) и HfSiOₓ) широко используется в NCFET; совместим с CMOS процессом. Теоретическое исследование показало, что нежелательная гистерезис возникает из-за несоответствия ферроэлектрической емкости C_FE базовой MOS емкости C_MOS в NCFET. Однако влияние соответствия между C_FE и C_MOS на электрические характеристики NCFET все еще вызывает озабоченность в экспериментах.

В этой работе изучаются электрические характеристики NC Ge FET с разными MOS емкостями на основе разного соответствия между C_FE и C_MOS. Хотя SS менее 60 мВ/декада не наблюдается, получены гистерезис-свободные передаточные характеристики и лучшие электрические свойства. Видимые пики C_FE vs V_FE кривых демонстрируют NC эффект HZO-базированных NCFET. Лучшее соответствие C_FE и C_MOS способствует более крутому SS и более высокому току включения, что выгодно для логических приложений.

Методы

Ключевые этапы фабрикации Ge NCFET показаны на Рис. 1a. 4-дюймовые n-Ge(001) подложки с удельным сопротивлением 0.088–0.14 Ом·см использовались как исходные. После пред- затворной очистки подложки загружали в ультра-высоковакуумную камеру для поверхностной пассивации Si₂H₆. Использовали две длительности пассивации: 40 и 60 мин. Затем осаждали стек TaN/HZO/TaN/HfO₂. Толщины HfO₂ диэлектрика и HZO ферроэлектрика — 4.35 и 4.5 нм соответственно. После структурирования затвора и травления, источник/сток (S/D) области имплантировали борными ионами (B⁺) при энергии 30 кэВ и дозе 1×10¹⁵ см⁻². S/D металл никель формировали lift-off процессом. Финально — быстрый термический отжиг 450 °C 30 с. Контрольный MOSFET со стеком TaN/HfO₂ также изготавливался. Рис. 1b и 1c — схемы изготовленных NCFET и контрольного MOSFET. Внутренний металлический затвор в NCFET компенсирует потенциал на поверхности канала, называется MFMIS структура.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a — измеренные I_DS-V_GS кривые пары NCFET и контрольного MOSFET с 40 мин пассивации. Оба устройства имеют длину затвора L_G=3.5 мкм. NC устройство с 40 мин пассивацией показывает значительно улучшенный I_DS по сравнению с контрольным MOSFET. Передаточные кривые NCFET не имеют гистерезиса. Точечные SS vs I_DS кривые (Рис. 2b) показывают, что NC транзистор имеет улучшенный SS над контролем, хотя SS ниже 60 мВ/декада не появляется. Рис. 2c показывает, что NC транзистор получает значительный прирост линейной транскондуктансы G_m над контролем при V_DS=-0.05 В. Рис. 3 сравнивает электрические характеристики NCFET и контрольного MOSFET с 60 мин пассивации. Аналогично, I_DS, точечный SS и G_m NCFET превосходят контрольное устройство.

Рис. 4a — статистические результаты тока управления NCFET и контрольных MOSFET при V_DS=-0.05 В и V_GS-V_TH=-1.0 В. NCFET показывают 18.7% и 35.6% улучшение I_DS для 60 мин и 40 мин пассивации соответственно по сравнению с контролем. Считается, что NCFET с 40 мин пассивации имеют лучшее соответствие между C_MOS и C_FE над NC устройствами с 60 мин. Рис. 4b показывает, что NCFET получают 26.4% и 51.3% улучшение максимальной транскондуктансы G_m,max для 60 мин и 40 мин пассивации соответственно. Видно, что контрольные MOSFET с 40 мин пассивации имеют более высокий I_DS и G_m,max, чем с 60 мин, из-за большего C_MOS, индуцированного меньшим эквивалентным оксидным толщиной (EOT). Внутренний металлический затвор обеспечивает экипотенциальную плоскость; устройство можно эквивалентно смоделировать как емкостный делитель напряжения. Общая емкость C_G — последовательное соединение C_FE и C_MOS. Внутреннее затворное напряжение усиливается благодаря NC эффекту. Коэффициент внутреннего напряжения β = |C_FE| / (|C_FE| - C_MOS) достигает максимума при |C_MOS| = |C_FE|. Достижение оптимизированного соответствия C_FE и C_MOS — предпосылка улучшения тока включения.

Извлеченные V_int vs V_GS кривые показаны на Рис. 5a. V_int NC транзистора может быть извлечен на гипотезе, что I_DS-V_int кривая NC транзистора тождественна I_DS-V_GS кривой контрольного устройства. Внутренний коэффициент усиления напряжения dV_int/dV_GS на Рис. 5b. dV_int/dV_GS > 1 достигается в широком диапазоне V_GS для NCFET с 40 мин пассивации, внося вклад в более крутой SS по сравнению с контролем во время измерения, что связано с локальным переключением поляризации. Это согласуется с результатами Рис. 2b. Для NCFET с 60 мин пассивации dV_int/dV_GS > 1 достигается в диапазоне V_GS < 0 В для двойного сканирования V_GS, согласуясь с повышенным SS на Рис. 3b.

Рис. 6a — извлеченные C_MOS vs V_GS кривые для NC транзистора, основанные на V_int-V_GS (Рис. 5a) и C_G-V_GS кривых контрольных MOSFET. Извлеченный C_MOS в хорошем согласии с измеренным C_G, демонстрируя валидность метода расчета. C_FE и C_MOS vs V_FE кривые на Рис. 6b. С момента начала NC эффекта абсолютное значение отрицательного C_FE транзистора превышает C_MOS для двойного сканирования V_GS все время на Рис. 6b. |C_FE| > C_MOS и C_FE < 0 могут вызывать гистерезис-свободные характеристики, а соответствие C_MOS и C_FE полезно для логических приложений. Гистерезис-свободные характеристики на Рис. 2a и 3a наблюдаются из-за согласования всех доменов и подавления зарядовых ловушек. Стабильное переключение поляризации отвечает за негистерезисные характеристики. Кроме того, большой внутренний затворный коэффициент усиления dV_int/dV_G > 1 приписывается небольшой несоответствию между |C_FE| и C_MOS в субпороговой области, результатив в крутом SS NC устройства. Одновременно, для NCFET с 40 мин пассивации наблюдается лучшее соответствие между C_FE и C_MOS, чем для NCFET с 60 мин пассивации. Это дает прямое доказательство того, что NCFET с 40 мин пассивации обладает лучшей электрической производительностью. FE поляризация меняет V_FE; следовательно, заряд FE меняется. Общий заряд умножается, что атрибутируется FE поляризации помимо приращения V_GS. Другими словами, для данного V_GS заряд в канале увеличивается, поэтому I_DS улучшается. В результате появляется крутой SS передаточной характеристики в экспериментах.

Заключение

Гистерезис-свободные передаточные характеристики получены для NCFET с 40 и 60 мин пассивации. NC Ge pFET с 40 мин пассивацией имеет лучшие электрические характеристики, чем NC устройство с 60 мин пассивации в экспериментах. Также продемонстрирован NC эффект HZO-базированных NCFET. Для NCFET получены крутой SS и dV_int/dV_GS > 1. NCFET с 40 мин пассивации достигло хорошего соответствия между C_FE и C_MOS, что способствует негистерезисным характеристикам. Различные NC поведения считаются связанными с микроскопическим переключением доменных стенок в тонких ферроэлектрических пленках.

Аббревиатуры

B⁺

Борные ионы

EOT

Эквивалентный оксидный толщина

FETs

Полевые транзисторы

HZO

HfZrOₓ

IC

Интегральная схема

I-MOS

Импакт-ионизационный металл-оксид-полупроводник

MOS

Металл-оксид-полупроводник

NC

Негативная емкость

NCFET

Полевой транзистор с негативной емкостью

NEMFET

Нано-электромеханический FET

S/D

Источник/сток

SS

Субпороговый наклон