Germanium-Feldeffekttransistoren mit negativer Kapazität:Auswirkungen der Zr-Zusammensetzung in Hf1−xZrxO2

Hintergrund

Der ferroelektrische Feldeffekttransistor mit negativer Kapazität (NCFET) mit einem in den Gate-Stapel eingefügten ferroelektrischen Film ist ein vielversprechender Kandidat für Anwendungen mit geringer Verlustleistung, da er die grundlegende Einschränkung des Unterschwellenhubs (SS) für konventionelle Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) [1]. Das Phänomen der negativen Kapazität (NC) in NCFETs wurde ausführlich in verschiedenen Kanalmaterialien untersucht, darunter Silizium (Si) [2, 3], Germanium (Ge) [4], Germanium-Zinn (GeSn) [5], III–V [6] und 2D-Materialien [7]. Außerdem wurden die NC-Eigenschaften in NCFETs mit verschiedenen Ferroelektrika wie BiFeO₃ . demonstriert [8], PbZrTiO₃ (PZT) [9], PVDF [10] und Hf_1−x Zr_x O₂ [11]. Im Vergleich zu anderen Ferroelektrika ist Hf_1−x Zr_x O₂ hat den Vorteil, dass sie mit der CMOS-Integration kompatibel ist. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die elektrische Leistung von NCFETs durch Variation der Dicke und Fläche von Hf_{1−x . optimiert werden kann} Zr_x O₂ , was die Anpassung zwischen der MOS-Kapazität (C _MOS ) und ferroelektrische Kapazität (C _FE ) [12, 13]. Es wird erwartet, dass die Zr-Zusammensetzung in Hf_1−x Zr_x O₂ hat auch einen großen Einfluss auf die Leistung von NCFETs, da es die ferroelektrischen Eigenschaften von Hf_{1−x . bestimmt} Zr_x O₂ . Es fehlt jedoch noch an einer detaillierten Studie über die Auswirkungen der Zr-Zusammensetzung auf die elektrischen Eigenschaften von NCFETs.

In diesem Papier untersuchen wir umfassend die Einflüsse der Glühtemperatur und der Zr-Zusammensetzung auf die Leistung von Ge-NCFET.

Methoden

Wichtige Prozessschritte zur Herstellung von Ge-p-Kanal-NCFETs mit den verschiedenen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−x Zr_x O₂ sind in Abb. 1(a) gezeigt. Nach der Pregate-Reinigung wurden n-Ge (001)-Substrate in die Atomlagenabscheidungskammer (ALD) geladen. Ein dünnes Al₂ O₃ (25 Zyklen) Film abgeschieden, gefolgt von der O₃ Passivierung. Dann die Hf_1-x Zr_x O₂ Filme (x = 0.33, 0.48 und 0.67) wurden in derselben ALD-Kammer unter Verwendung von [(CH₃ )₂ N]₄ Hf (TDMAHf), [(CH₃ .) )₂ N]₄ Zr (TDMAZr) und H₂ O als Hf-, Zr- bzw. O-Vorläufer. Danach wurde das TaN-Metallgate unter Verwendung des reaktiven Sputterns abgeschieden. Nach der Gatestrukturierung und Ätzung werden Borionen (B ⁺ ) wurden in Source/Drain (S/D)-Regionen mit einer Energie von 20 keV und einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ . implantiert cm ⁻² . Nicht selbstausgerichtete S/D-Metalle wurden durch den Abhebeprozess gebildet. Schließlich wurde ein schnelles thermisches Ausheilen (RTA) bei verschiedenen Temperaturen zur Dotierstoffaktivierung, S/D-Metallisierung und Kristallisation von Hf_{1−x . durchgeführt} Zr_x O₂ Film. Gesteuerte pMOSFETs mit dem Al₂ O₃ /HfO₂ Stapel wurde auch hergestellt.

(a ) Schlüsselprozessschritte zur Herstellung von Ge-NCFETs mit den unterschiedlichen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−x Zr_x O₂ Ferroelektrika. (b ) Schema des hergestellten NC-Transistors. (c ) TEM-Bild des Gate-Stapels des NC-Geräts, das den 7 nm H_0.52 . veranschaulicht Zr_0,48 O₂ Schicht und 2 nm Al₂ O₃ Schicht

Abbildung 1(b) zeigt das Schema des hergestellten NCFET. Das hochauflösende Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM)-Bild in Abb. 1(c) zeigt den Gatestapel auf dem Ge-Kanal des Geräts mit Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ ferroelektrisch. Die Dicken von Al₂ O₃ und Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ Schichten sind 2 nm bzw. 7 nm.

Um die Stöchiometrien von Hf_{1−x . zu bestätigen} Zr_x O₂ wurde die Messung der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) durchgeführt. Abbildung 2(a) und (b) zeigen die Hf4f und Zr3d Photoelektronenkern-Niveau-Spektren für Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ , Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ , und Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ Filme. Die Materialzusammensetzungen wurden basierend auf dem Flächenverhältnis der Peaks und den entsprechenden Sensitivitätsfaktoren berechnet. Die beiden Gipfel von Zr3d _5/2 und Zr3d _3/2 haben eine Spin-Orbital-Aufspaltung von 2.4 eV, die aus Refs. [14, 15]. Mit der Zunahme der Zr-Zusammensetzung in Hf_1−x Zr_x O₂ , Zr3d , und Hf4f Peaks verschieben sich in Richtung niedrigerer Energie.

(a ) Hf 4f und (b ) Zr 3d Spektren auf Kernebene für Hf_1−x Zr_x O₂ Proben mit den verschiedenen Zr-Zusammensetzungen

Die ferroelektrischen Eigenschaften von Hf_1−x Zr_x O₂ Filme (x = 0.33, 0.48 und 0.66) wurden durch die Polarisation P . gekennzeichnet vs. Antriebsspannung V Hystereseschleifenmessung. P -V Loops wurden auf den makellosen Geräten aufgenommen. Abbildung 3 zeigt die Kurven von P vs. V für TaN/Hf_1−x Zr_x O₂ (10 nm)/TaN-Abtastungen in einer Reihe von Ansteuerspannungen. Wenn die Temperatur nach dem Glühen von 500 auf 550 °C ansteigt, wird der P -V Kurven der Hf_1−x Zr_x O₂ neigen dazu, in einem Sub-Loop-Zustand gesättigt zu sein. Wenn die Zr-Zusammensetzung zunimmt, wird die Restpolarisation des Films offensichtlich verbessert, und es wird eine Ausdünnung der Hystereseschleife bei Nullvorspannung beobachtet, die phänomenologisch am besten als überlagerte antiferroelektrische Eigenschaften beschrieben werden kann [16, 17].

Gemessene P-V-Kurven des Hf_1-x ZrxO2-Filme mit unterschiedlichen Zr-Zusammensetzungen getempert bei 500 und 550 ^o C. (a ) und (b ) sind die Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ Filmgeglüht bei 500 und 550 ^o C bzw. (c ) und (d ) sind die Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ Filmgeglüht bei 500 und 550 ^o C bzw. (e ) und (f ) sind die Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ Filmgeglüht bei 500 und 550 ^o C bzw. Mit dem Nachglühen steigt die Temperatur von 500 auf 550 ^o C, die P-V-Kurven von Hf_1-x Zr_x O₂ neigen dazu, in einem Sub-Loop-Zustand gesättigt zu sein. Eine Entwicklung von ferroelektrischem zu antiferroelektrischem Verhalten wird mit erhöhter Zr-Zusammensetzung beobachtet

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 4(a) zeigt die gemessenen Übertragungseigenschaften von Ge-NCFETs mit Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ Ferroelektrika mit unterschiedlichen Glühtemperaturen und Kontrollgerät mit Al₂ O₃ /HfO₂ Stapeldielektrikum. Die Kontrollvorrichtung wurde bei 500°C getempert. Alle Geräte haben eine Gate-Länge L _G von 2 μm. Das Vorwärts- und Rückwärts-Wobbeln wird durch die offenen bzw. ausgefüllten Symbole angezeigt. Die NCFETs haben im Vergleich zum Steuergerät einen viel höheren Ansteuerstrom. Es ist ersichtlich, dass mit steigender Glühtemperatur von 450 auf 550 °C die Schwellenspannung V _TH der NC-Geräte verschieben sich ins positive V _GS Richtung. Die NCFETs weisen eine kleine Hysterese auf, die mit steigender RTA-Temperatur vernachlässigbar wird. Der Einfangeffekt führt auch zur Hysterese, aber das erzeugt das I . gegen den Uhrzeigersinn _DS -V _GS Schleife, im Gegensatz zu den Ergebnissen, die durch ferroelektrisches Schalten induziert werden [18]. Punkt SS vs. I _DS Kurven in Abb. 4(b) zeigen, dass der NC-Transistor an einigen Punkten von SS einen plötzlichen Abfall zeigt, der der abrupten Änderung von I . entspricht _DS induziert durch den NC-Effekt [19]. Es wird beobachtet, dass NCFETs im Vergleich zum Steuergerät die verbesserten SS-Eigenschaften erzielen. Wir haben festgestellt, dass die plötzlichen Abfallpunkte der Vorrichtungen bei den unterschiedlichen Glühtemperaturen konsistent sind. Das gemessene Ich _DS -V _DS Kurven der NCFETs mit Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ ferroelektrisch geglüht bei unterschiedlichen Temperaturen sind in Fig. 4(c) gezeigt. Ich _DS -V _DS Kurven des NC-Transistors zeigen das offensichtliche NDR-Phänomen, das ein typisches Merkmal von NC-Transistoren ist [20,21,22,23]. Abbildung 4(d) sind die Diagramme des I _DS der Ge-NCFETs mit dem Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ ferroelektrische Schicht getempert bei 450, 500 bzw. 550 °C, bei V _DS = − 0.05 V und − 0.5 V und |V _GS − V _TH | = 1.0 V. Hier ist das V _TH ist definiert als das V _GS bei ich _DS von 10 ⁻⁷ A/μm. Ich _DS nimmt mit steigender RTA-Temperatur zu, was auf den verringerten Source/Drain-Widerstand und die verbesserte Trägermobilität bei der höheren Tempertemperatur zurückzuführen ist.

(a ) Gemessen I _DS -V _GS Kurven für NCFETs mit Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ Ferroelektrik und Steuergerät. (b ) Punkt SS vs. I _DS Kurven zeigen, dass NCFETs im Vergleich zu Steuer-MOSFETs die steilere SS aufweisen. (c ) Ich _DS -V _DS Kurven für die NCFETs, die die typischen NDR-Phänomene zeigen. (d ) Vergleich des I _DS für die NCFETs getempert bei verschiedenen Temperaturen bei einem Gate-Overdrive von 1 V

Zusätzlich zu Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ ferroelektrischen Transistor untersuchen wir auch die elektrischen Eigenschaften von Ge-NC-Transistoren mit dem Hf_0.33 Zr_0,67 O₂ ferroelektrisch. Abbildung 5(a) zeigt das I _DS -V _GS Eigenschaften der Geräte mit Hf_0.33 Zr_0,67 O₂ mit den unterschiedlichen Glühtemperaturen bei V _DS = − 0.05 V und − 0.5 V. Im Vergleich zu Hf_0.52 Zr_0,48 O₂ NC-Transistoren wird eine noch kleinere Hysterese erhalten. Ähnlich dem Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ NC-Transistoren, wenn die Glühtemperatur von 450 auf 550 °C ansteigt, V _TH des Geräts steigt von − 0,63 V auf 0,51 V im Vorwärts-Sweep bei V _DS = − 0.05 V Punkt SS als Funktion von I _DS Eigenschaften für Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ ferroelektrische NCFETs sind in Fig. 5(b) dargestellt. Darüber hinaus erzielen Geräte mit 450°C und 500°C Glühtemperatur den deutlicheren plötzlichen Abfall des SS im Vergleich zu dem 550°C geglühten Transistor. Die plötzlichen Abfallpunkte bei unterschiedlichen Glühtemperaturen treten bei derselben Gatespannung auf. Abbildung 5(c) zeigt vorwärts und rückwärts I _DS des Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ NCFETs bei V _DS = − 0.05 V und − 0.5 V und |V _GS –V _TH | = 1.0 V. Ob für das Vorwärts- oder Rückwärts-Sweepen, das I _DS steigt mit der Glühtemperatur, was mit der Charakteristik des Hf_0,52 . übereinstimmt Zr_0,48 O₂ Gerät.

(a ) Gemessene Übertragungseigenschaften des Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ NC-Ge-pFETs getempert von 450 bis 550 °C. (b ) Punkt SS als Funktion von I _DS für Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ Geräte. (c ) Ich _DS für die ferroelektrischen NC-Transistoren mit unterschiedlichen Glühtemperaturen bei einem Gate-Overdrive von 1 V 

Wir untersuchen auch die elektrische Leistung von Ge-NCFET mit der kleineren Zr-Zusammensetzung. Die Übertragungseigenschaften des Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ Bei unterschiedlichen Glühtemperaturen geglühte NCFETs sind in Fig. 6(a) dargestellt. Es wird kein Hysteresephänomen beobachtet. Im Vergleich zu Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ und Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ Geräte, die V _TH Die durch unterschiedliche Glühtemperatur induzierte Verschiebung ist bei Hf_0,67 . weniger ausgeprägt Zr_0,33 O₂ NCFETs. Punkt SS vs. I _DS Kurven in Abb. 6(b) zeigen, dass Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ Der NC-Transistor zeigt den plötzlichen Abfall an einigen Punkten von SS des NC-Transistors bei V _DS = − 0.05 V. Abbildung 6(c) zeigt das I _DS von Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ Ge-NCFETs getempert bei 450°C, 500°C und 550°C, bei V _DS = − 0.05 V und − 0.5 V und |V _GS –V _TH | = 1.0 V. Ebenso I _DS erhöht sich, wenn die RTA-Temperatur steigt.

(a ) Gemessen I _DS -V _GS des Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ NC Ge pFETs getempert bei 450°C, 500°C und 550°C. (b ) Punkt SS vs. I_DS Eigenschaften der Geräte. (c ) Ich _DS für die ferroelektrischen NC-Transistoren mit unterschiedlichen Glühtemperaturen bei einem Gate-Overdrive von 1 V

Die Stabilität des durch die ferroelektrische Schicht des Hf_0,52 . induzierten NC-Effekts Zr_0,48 O₂ NCFET wurde durch mehrere DC-Sweep-Messungen verifiziert. Das gemessene Ich _DS -V _GS Kurven über 100  Zyklen des DC-Wobbelns sind in Fig. 7(a) gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Werte von V _GS entsprechenden steilen SS sind konsistent. Außerdem ist das im Uhrzeigersinn laufende I-V Schleifen werden durch die mehreren DC-Sweeps aufrechterhalten. Die steilen SS-Punkte sind über mehrere DC-Sweeps wiederholbar und stabil, was weiter beweist, dass sie durch den NC-Effekt induziert werden. Abbildung 7(b) zeigt den besten Punkt SS und den besten Treiberstrom über die Anzahl der Wobbelzyklen. Abbildung 7(c) zeigt die Hystereseeigenschaften als Funktion der Anzahl der DC-Sweepzyklen. Stabiles I-V Hysteresefenster von ~ 82 mV werden gesehen.

(a ) Gemessen I _DS -V _GS Kurven eines Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ NC Ge pFET über 100  Zyklen DC-Sweep. (b ) Bester Punkt SS und I _DS vs. Zyklusnummer. (c ) Hysteresecharakteristik in Abhängigkeit von der Anzahl der DC-Sweepzyklen

Wir fassen die Hysterese- und Ansteuerstromcharakteristik von Ge-NCFETs mit unterschiedlichen Zr-Zusammensetzungen in Hf_{1−x . zusammen} Zr_x O₂ in Abb. 8. Wie in Abb. 8(a) gezeigt, betragen die Hysteresewerte 70, 148 und 106 mV für Geräte mit x = 0,33, 0,48 bzw. 0,67 bei einem V _DS von – 0,5 V. Mit zunehmender Zusammensetzung von 0,33 auf 0,48 erhöht sich die Hysterese der NC-Vorrichtung deutlich. Mit der weiteren Zunahme der Zr-Zusammensetzung nimmt die Hysterese schnell ab. Das Ich _DS der bei 450°C getemperten NCFETs ist in Abb. 8(b) bei V . aufgetragen _DS = − 0. 5 V und V _GS − V _TH = − 1. 0 V. Offen und durchgehend stehen für Vorwärts- bzw. Rückwärts-Sweep. Das NC-Gerät mit Hf_0.52 Zr_0,48 O₂ erreicht das höchste I _DS , aber seine Hysterese ist ernst. NCFET mit Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ kann mit hysteresefreien Kurven und hohem I . eine hervorragende Leistung erzielen _DS . Mit zunehmender Zr-Zusammensetzung steigt die ferroelektrische Kapazität C _fe (= 0,3849*P _r /(E _c *t _fe ) [24]) steigt mit zunehmendem P _r , und währenddessen die MOS-Kapazität (C _MOS ) steigt ebenfalls aufgrund der wachsenden Permittivität des HZO-Films. Das Ich _DS und Hysterese werden bestimmt durch |C _fe | und C _MOS des Transistors. Mit zunehmender Zr-Zusammensetzung von 0,33 auf 0,48 steigt die Zunahme von |C _fe | wird spekuliert, dass es langsamer ist als das C _MOS , was zur Verbreiterung der Hysterese führt. Trotzdem ist das größere C _MOS erzeugt ein höheres Ich _DS . Mit der weiteren Zunahme der Zr-Zusammensetzung wird die Zunahme von |C _fe | ist schneller als C _MOS , die |C . bereitstellen könnte _fe | ≥ C _MOS , wodurch die Hysterese des NCFET reduziert wird.

Statistische Diagramme von (a ) Hysterese und (b ) Ich _DS von Ge-NCFET mit Hf_1−x Zr_x O₂ (x = 0,33, 0,48 und 0,67)

Schlussfolgerungen

Die Auswirkungen der Glühtemperatur und der Zr-Zusammensetzung in Hf_1–x Zr_x O₂ zur elektrischen Leistung der Ge-NCFETs experimentell untersucht. Die Stöchiometrien und ferroelektrischen Eigenschaften von Hf_1−x Zr_x O₂ wurden von XPS und P-V bestätigt Messungen bzw. NCFETs demonstrieren den Steilpunkt SS und das verbesserte I _DS im Vergleich zum Steuergerät aufgrund des NC-Effekts. Das V _TH und ich _DS des Hf_1−x Zr_x O₂ NCFET werden stark von der Glühtemperatur beeinflusst. Mehrere DC-Sweep-Messungen zeigen, dass die Stabilität des durch die ferroelektrische Schicht induzierten NC-Effekts im NCFET erreicht wird. Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ NCFET kann die hysteresefreien Eigenschaften leichter erreichen als die Geräte mit einer höheren Zr-Zusammensetzung.

Abkürzungen

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂ ⁺ :

Borfluoridion

DC:

Gleichstrom

Ge:

Germanium

GeO_x :

Germaniumoxid

HF:

Flusssäure

HfO₂ :

Hafniumdioxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

NC:

Negative Kapazität

Ni:

Nickel

SS:

Schwung unter der Schwelle

TaN:

Tantalnitrid

TDMAHf:

Tetrakis (dimethylamido) hafnium

TDMAZr:

Tetrakis (Dimethylamido) Zirkonium