ZrOx-базированный NCFET с субпороговым перепадом ниже 60 мВ/dec
Аннотация
Представлены ZrOx-базированные NCFET с отрицательной емкостью (NC) с субпороговым перепадом (SS) 45,06 мВ/dec при ±1 В VGS, открывающие возможности для будущих напряжением-масштабируемых NCFET. Ферроэлектрическое поведение конденсаторов Ge/ZrOx/TaN приписывается диполям кислородных вакансий. NC-эффект в аморфных HfO2 и ZrOx подтверждается резким падением утечки затвора, явлением отрицательного дифференциального сопротивления (NDR), усилением IDS и суб-60 SS. 5-нм ZrOx-NCFET демонстрируют по часовой истериз 0,24 В, SS < 60 мВ/dec и 12% усиление IDS по сравнению с контрольным устройством без ZrOx. Подавленный NC-эффект в Al2O3/HfO2 NCFET по сравнению с ZrOx NCFET связан с частичным переключением диполов кислородных вакансий при прямом сканировании из-за отрицательных интерфейсных диполов на границе Al2O3/HfO2.
Основы
Постоянное масштабирование CMOS-устройств ввело индустрию ИС в эру «более чем Мура». Движущей силой становится снижение энергопотребления, а не миниатюризация транзисторов. Однако Болтмановское тирание MOSFET (SS > 60 мВ/dec) ограничивает энергоэффективность. В последние годы предложены новые устройства с суб-60 мВ/dec SS: MOSFET с ионизацией по удару, туннельные FET, NCFET. Благодаря простой структуре, крутому SS и улучшенному току драйва NCFET с ферроэлектрической (FE) пленкой считаются привлекательной альтернативой. Исследуемые FE-материалы: PbZrTiO3 (PZT), P(VDF-TrFE), HfZrOx (HZO). Однако высокая технологическая температура и нежелательный ток утечки через границы зерен поликристаллических FE-материалов ограничивают их применение в передовых технологических узлах. Недавно исследована ферроэлектричность в аморфных Al2O3 и ZrOx пленках, обеспечиваемая напряжением-модулируемыми диполями кислородных вакансий. По сравнению с кристаллическими аналогами, аморфные ферроэлектрикоподобные пленки имеют преимущества: сниженная технологическая температура и ток утечки. Поэтому ведется много исследований FeFET с аморфным гейтовым диэлектриком для энергонезависимой памяти и аналоговых синаптических приложений. Однако систематического исследования однотранзисторных ZrOx-базированных NCFET не проводилось.
В работе предложены Ge NCFET с 5-нм ферроэлектрическим диэлектриком ZrOx и 5-нм Al2O3/HfO2. Экспериментально наблюдается суб-60 мВ/dec SS в ZrOx (5 нм) NCFET, что объясняется NC-эффектом ZrOx. Проанализирована поляризация P как функция приложенного напряжения V для конденсаторов Ge/ZrOx/TaN. Ферроэлектрикоподобное поведение индуцируется напряжением-индуцированными диполями кислородных вакансий. Улучшение IDS и резкое падение IG в Al2O3/HfO2 и ZrOx NCFET также приписываются NC-эффекту. Наблюдается NDR в обоих типах NCFET. Дополнительно проанализирован физический механизм снижения NC-эффекта в Al2O3/HfO2 NCFET из-за интерфейсных диполов. ZrOx NCFET с суб-60 мВ/dec SS, улучшенным дренным напряжением и низким рабочим напряжением подходят для проектирования низкоэнергопотребляющих NCFET в эре «более чем Мур».
Методы
Ключевые этапы изготовления NCFET с ZrOx и Al2O3/HfO2 на рис. 1а. Разные гейтовые диэлектрики: Al2O3/аморфный HfO2 (5 нм) и аморфный ZrOx (4,2 нм) выросли на n-Ge (001) АЛД при 300 °C. Прекурсоры: TMA, TDMAHf, TDMAZr, H2O для Al, Hf, Zr, O. Время импульса/перга для Hf и Zr: 1,6 с / 8 с; для Al: 0,2 с / 8 с. TaN верхний гейт реактивным спуттерингом. Исток/сток (S/D) — литография и сухая травля. Затем депонирован бор (B+) и никель (Ni) в S/D. Финал — быстрый термический отжиг (RTA) 350 °C, 30 с в азоте 108 Па. Рис. 1б, д — схемы Al2O3/HfO2 NCFET и ZrOx NCFET. HRTEM на рис. 1в: аморфный HfO2 (5 нм) на Ge (001) со слоем Al2O3. HRTEM на рис. 1е: аморфный ZrOx (4,2 нм) на Ge (001). C-V кривая ZrOx NCFET и XPS TaN/ZrOx (4,2 нм)/Ge в доп. файле 1: рис. S1.
Результаты и обсуждение
Рис. 2а: измеренные кривые поляризации P vs V для Ge/ZrOx/TaN конденсаторов при 3,3 кГц. Длина затвора LG = 8 мкм. Остаточная поляризация Pr растет с расширением диапазона сканирования V. Ферроэлектрикоподобное поведение аморфного ZrOx (рис. 2а) приписывается напряжением-управляемым диполям кислородных вакансий. Рис. 2б: P–V кривые при частотах 200–10 кГц. Ферроэлектрикоподобное поведение стабильно при всех частотах, но Pr снижается с ростом частоты. Это объясняется неполным переключением диполов при высоких частотах: время на смену направления поля уменьшается, часть диполей не успевает переключиться.
Рис. 3а: IDS–VGS ферроэлектрического Al2O3/HfO2 NCFET при VDS = −0,05 В и −0,5 В. LG = 3 мкм. Истеризис по часовой стрелке 0,14 В (VDS = −0,05 В, Ids = 1 нА/мкм) и 0,08 В (VDS = −0,5 В, Ids = 1 нА/мкм). Истеризис вызван миграцией кислородных вакансий и сопутствующими отрицательными зарядами. Диполи вакансий накапливаются (обедняются) на границе Ge/Al2O3 при положительном (отрицательном) VGS. Пороговое напряжение VTH растет (падает) при прямом (обратном) сканировании. Рис. 3б: выходные характеристики Al2O3/HfO2 NCFET и контрольного FET. Насыщенный ток Al2O3/HfO2 NCFET > 26 мкА/мкм, на 23% выше контрольного при |VGS−VTH| = |VDS| = 0,8 В. Улучшение тока из-за увеличения интенсивности инверсионного заряда (Qinv) в поле обратной поляризации и усиления поверхностного потенциала. Очевидный NDR подтверждает NC-эффект аморфного HfO2. NDR вызван неполным переключением диполов кислородных вакансий из-за связи дрен-канал при росте VDS. Рис. 3в: IG–VGS для 5 нм Al2O3/HfO2 NCFET. Резкие падения IG только при обратном сканировании указывают на снижение напряжения в аморфном HfO2 и усиление поверхностного потенциала. Отсутствие NC-эффекта при прямом сканировании — из-за частичного переключения диполов в HfO2. Разная способность Al2O3 и HfO2 удерживать кислород приводит к перераспределению кислорода и отрицательным интерфейсным диполям на границе Al2O3/HfO2. Из-за них аморфный HfO2 не может реализовать полное переключение поляризации (NC-эффект) при прямом сканировании.
Рис. 4а: передаточные кривые ZrOx NCFET при VDS = −0,05 В и −0,5 В. LG = 4 мкм. Истеризис по часовой стрелке 0,24 В (VDS = −0,05 В, Ids = 1 нА/мкм) и 0,14 В (VDS = −0,5 В, IDS = 1 нА/мкм). Рис. 4б: выходные характеристики ZrOx NCFET и контрольного FET. Насыщенный ток ZrOx NCFET > 30 мкА/мкм, на 12% выше контрольного при |VGS−VTH| = |VDS| = 1 В. Улучшенное усиление тока и более явный NDR указывают на усиленный NC-эффект аморфного ZrOx (5 нм) по сравнению с 5 нм HfO2. Рис. 4в: IG–VGS для 5 нм ZrOx NCFET. В отличие от Al2O3/HfO2 (падения только при обратном сканировании, рис. 3в), резкие падения IG при прямом и обратном сканировании (рис. 4в) подтверждают усиленный NC-эффект в ZrOx.
Рис. 5а, б: точечный SS как функция IDS для Al2O3/HfO2 и ZrOx NCFET при VDS = −0,05 В и −0,5 В. Рис. 5б: суб-60 мВ/dec SS достигается при прямом или обратном сканировании VGS при обоих VDS. При VDS = −0,05 В: прямой SS 45,1 мВ/dec, обратный 55,2 мВ/dec. При VDS = −0,5 В: прямой 51,16 мВ/dec, обратный 46,52 мВ/dec. Из-за разной способности к сávенжированию (scavenging effect) Al2O3/HfO2 и ZrOx в Al2O3/HfO2 NCFET происходит частичное переключение диполов. Поэтому более явный NC-эффект с суб-60 мВ/dec SS достигается в 5 нм ZrOx NCFET.
Заключение
Продемонстрированы ферроэлектрические NC ZrOx pFET с суб-60 мВ/dec SS, низким рабочим напряжением 1 В и истеризисом < 60 мВ. Влияние аморфных ZrOx пленок на ферроэлектрическое поведение объясняется диполями кислородных вакансий. Улучшенное IDS и NDR получены в Al2O3/HfO2 NCFET и ZrOx NCFET по сравнению с контрольным устройством. Подавленный NC-эффект Al2O3/HfO2 NCFET объясняется частичным переключением диполов из-за интерфейсных диполов на границе Al2O3/HfO2. ZrOx NCFET с суб-60 мВ/dec SS, улучшенным дренным напряжением и низким рабочим напряжением прокладывают новый путь для будущих низкоэнергопотребляющих NCFET.
Доступность данных и материалов
Наборы данных, подтверждающие выводы, включены в статью.
Аббревиатуры
- TaN:
- Нитрид тантала
- ZrOx:
- Диоксид циркония
- TDMAZr:
- Тетракис(диметиламидо)цирконий
- Pr:
- Остаточная поляризация
- Ec:
- Коэрцитивное электрическое поле
- MOSFETs:
- МОП-транзисторы
- Ge:
- Германий
- ALD:
- Атомно-слойное осаждение
- B+:
- Бор-ион
- Al2O3:
- Оксид алюминия
- HRTEM:
- Высокоразрешающая ТЭМ
- Ni:
- Никель
- RTA:
- Быстрый термический отжиг
- IDS:
- Дренный ток
- VGS:
- Гейтовое напряжение
- VTH:
- Пороговое напряжение
- NCFET:
- Транзистор с отрицательной емкостью
Наноматериалы
- Использование JFET как низкоэнергетического вкл/выкл ключа
- Neopolen P 9235+ — улучшенная EPP-пена для превосходного качества поверхности и ударной стойкости
- Высокопроизводительные полевые транзисторы на нанослойках SnSe с низкоомными золотыми омическими контактами
- Уплотнение карбида кремния: искровая плазменная спекание с Si-SiC нанокомпозитными добавками из термической DC …
- Высокосжимаемый графен/полианилиновый аэрогель: суперэластичность встречает 713 Ф/г емкость для твердотельны…
- SWCNT-ФеФЕТ с контролем дефектов HfO₂ достигают рекордных коэффициентов открытости/закрытости, выносливости и уд…
- Высокопроизводительный аналоговый/РЧ T-образный затвор двух-источников туннельный полевой транзистор
- Наномасштабный вакуумный транзистор на основе графена: фabricация, характеристики и перспективы
- Ультра-низкое удельное сопротивление включения LDMOS с улучшенным двойным затвором и частичным P-зарытым слоем
- M33: высокопроизводительный комбинированный токарный станок в компактных габаритах