Vergleichsstudie von Feldeffekttransistoren mit negativer Kapazität und unterschiedlichen MOS-Kapazitäten

Einführung

Mit der Verkleinerung von Transistoren wächst der Integrationsgrad der integrierten Schaltung (IC) kontinuierlich. Ein begleitendes Verlustleistungsproblem muss dringend gelöst werden. Um dieses Problem zu umgehen, sollte die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden [1]. Der Subthreshold-Swing (SS) von MOSFETs darf bei Raumtemperatur nicht unter 60 mV/Dekade liegen, was die Reduzierung der Schwellenspannung V . einschränkt _TH und Versorgungsspannung V _DD [2]. Viele Anstrengungen wurden der Erforschung und Entwicklung von Geräten mit neuartigen Transport- und Schaltmechanismen gewidmet, um die Boltzmann-Grenze zu überschreiten, einschließlich Feldeffekttransistoren mit negativer Kapazität (NCEFT) [3, 4], resistivem Gate-FET [5], Nano- elektromechanischer FET (NEMFET) [6, 7], Stoßionisations-Metall-Oxid-Halbleiter (I-MOS) [8, 9] und Tunnel-FET [10, 11]. Unter ihnen hat der NCFET viel Aufmerksamkeit erregt, da er einen steilen SS erreichen kann, ohne den Antriebsstrom zu verlieren [12,13,14,15]. Dotiertes HfO₂ (z. B. HfZrO_x (HZO) und HfSiO_x ) ist in NCFETs weit verbreitet [4, 16, 17]; es ist kompatibel mit dem CMOS-Prozess [18]. Eine theoretische Studie hat gezeigt, dass die unerwünschte Hysterese aufgrund der nicht angepassten ferroelektrischen Kapazität C . auftritt _FE zur zugrunde liegenden MOS-Kapazität C _MOS im NCFET [19]. Der Effekt der Übereinstimmung zwischen C _FE und C _MOS zu den elektrischen Eigenschaften von NCFETs ist in den Experimenten immer noch ein Problem.

In dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von NC-Ge-FETs mit unterschiedlichen MOS-Kapazitäten basierend auf der unterschiedlichen Anpassung zwischen C _FE und C _MOS . Obwohl ein SS von weniger als 60  mV/Dekade nicht auftritt, werden die hysteresefreien Übertragungseigenschaften und bessere elektrische Eigenschaften erhalten. Scheinbare Peaks von C _FE gegen V _FE Kurven zeigen den NC-Effekt von HZO-basierten NCFETs. Die bessere Übereinstimmung von C _FE und C _MOS trägt zu einem steileren SS und einem höheren Einschaltstrom bei, was für die Logikanwendungen von Vorteil ist.

Methoden

Der wichtigste Herstellungsprozess von Ge-NCFETs ist in Fig. 1a gezeigt. Als Ausgangssubstrate wurden 4 Zoll n-Ge(001)-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 0,088–0,14 ·cm verwendet. Nach der Reinigung vor dem Gate wurden Ge-Wafer zur Oberflächenpassivierung mit Si₂ . in eine Ultrahochvakuumkammer geladen H₆ . Es wurden zwei Passivierungsdauern von 40 und 60 min verwendet. Dann TaN/HZO/TaN/HfO₂ Stapel abgelegt wurde. Die Dicken des HfO₂ Die dielektrische Schicht und die HZO-FE-Schicht sind 4,35 bzw. 4,5 nm groß. Nach der Gatestrukturierung und dem Ätzen wurden Source/Drain (S/D)-Gebiete unter Verwendung von Borionen (B ⁺ ) bei einer Energie von 30 keV und einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . S/D-Metall Nickel wurde unter Verwendung eines Abhebeverfahrens gebildet. Schließlich wurde ein schnelles thermisches Glühen bei 450 °C für 30 Sekunden durchgeführt. MOSFET mit TaN/HfO₂ . steuern Stapel wurde auch hergestellt. Die Figuren 1b und c zeigen die Schaltpläne des hergestellten NCFET bzw. des Steuer-MOSFET. Das interne Metallgate im hergestellten NCFET gleicht das Potenzial an der Kanaloberfläche aus, die als MFMIS-Struktur bezeichnet wird.

a Wichtige Prozessschritte von gefertigten NC-Geräten. Die Schaltpläne des hergestellten b NCFET und c Steuer-MOSFET

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt das gemessene I _DS -V _GS Kurven eines Paares von NCFET und Steuer-MOSFET mit 40 min Oberflächenpassivierung. Beide Geräte haben eine Gate-Länge von L _G von 3,5 µm. Das NC-Gerät mit 40 min Passivierung hat ein deutlich verbessertes I _DS als der Steuer-MOSFET. Die Transferkurven von NCFET zeigen ein nicht-hysteretisches Merkmal. Punkt SS gegen I _DS Kurven in Fig. 2b zeigen, dass der NC-Transistor eine verbesserte SS gegenüber der Steuervorrichtung aufweist, obwohl SS von unter 60   mV/Dekade nicht auftritt. Abbildung 2c zeigt, dass der NC-Transistor eine deutlich erhöhte lineare Steilheit G . erhält _m über das Steuergerät bei V _DS von − 0,05  V. Abbildung 3 vergleicht die elektrische Leistung von NCFET und Steuer-MOSFET mit Oberflächenpassivierung für 60 min. Ebenso das Ich _DS , Punkt SS und G _m von NCFET sind denen von Kontroll-MOSFET überlegen.

a Das gemessene Ich _DS -V _GS Kurven des NCFET und Steuer-MOSFET mit 40 min Passivierung. Vergleich von b Punkt SS gegen I _DS und c G _m Eigenschaften zwischen NC-FET und Steuer-MOSFET

a Das gemessene Ich _DS -V _GS Kurven des NCFET und Steuer-MOSFET mit 60 min Passivierung. Vergleich von b Punkt SS gegen I _DS und c G _m Eigenschaften zwischen NCFET und Steuer-MOSFET

Abbildung 4a zeigt die statistischen Ergebnisse des Ansteuerstroms von NCFETs und Steuer-MOSFETs bei V _DS von − 0.05 V und V _GS -V _TH =− 1,0 V. NCFETs zeigen eine Verbesserung von I . um 18,7 % und 35,6 % _DS für die 60 min bzw. 40 min Oberflächenpassivierung im Vergleich zu den Kontrollgeräten. Es wird spekuliert, dass die für 40 min passivierten NCFETs eine bessere Anpassung zwischen C _MOS und C _FE über die NC-Geräte mit 60 min. Abbildung 4b zeigt, dass NCFETs eine Verbesserung der maximalen Steilheit G . um 26,4 % und 51,3 % erzielen _m,max für 60 min bzw. 40 min Oberflächenpassivierung im Vergleich zu den Steuergeräten. Es zeigt sich, dass die Steuer-MOSFETs mit Oberflächenpassivierung für 40 min einen höheren I . haben _DS und G _m,max als die 60 min passivierten Geräte, was auf das größere C . zurückzuführen ist _MOS induziert durch die geringere äquivalente Oxiddicke (E _OT ). Das interne Metallgate stellt eine Äquipotentialebene bereit; das Gerät kann äquivalent als kapazitiver Spannungsteiler modelliert werden. Die Gesamtkapazität C _G ist eine Reihe von C _FE und C _MOS . Durch den NC-Effekt wird die interne Gatespannung verstärkt. Der Verstärkungskoeffizient der internen Spannung β =  ∣ C _FE / ∣ C _FE ∣  − C _MOS bekommt das Maximum, wenn |C _MOS | =|C _FE | [20, 21]. Erreichen der optimierten Übereinstimmung von C _FE und C _MOS ist die Voraussetzung für die Verbesserung des Einschaltstroms.

Die statistische a Ich _DS und b G _m Ergebnisse von NCFETs und Steuer-MOSFETs mit 40 und 60 min Passivierungsdauer

Das extrahierte V _int gegen Gatespannung V _GS Kurven sind in Fig. 5a gezeigt. V _int des NC-Transistors kann aufgrund der Hypothese extrahiert werden, dass I _DS -V _int Kurve des NC-Transistors ist genau identisch mit I _DS -V _GS Kurve des Steuergerätes. Der interne Spannungsverstärkungskoeffizient dV _int /dV _GS ist in Fig. 5b gezeigt. dV _int /dV _GS> 1 wird im weiten Kehrbereich von V . erreicht _GS für den NCFET mit 40 min Oberflächenpassivierung, was zu einem steileren SS als das Steuergerät während des Messvorgangs beiträgt, was auf die lokale Polarisationsumschaltung zurückzuführen ist [22]. Es stimmt mit den oben erwähnten Ergebnissen in Fig. 2b überein. Für den NCFET mit 60 min Passivierung beträgt der interne Spannungsverstärkungskoeffizient dV _int /dV _GS> 1 wird im Bereich von V . erreicht _GS <0 V für das doppelte Sweepen von V _GS , was mit der erhöhten SS in Abb. 3b übereinstimmt.

a Extrahiertes V _int als Funktion von V _GS Kurven. b Der Verstärkungskoeffizient der internen Spannung gegenüber V _GS Kurven

Abbildung 6a zeigt das extrahierte C _MOS gegen V _GS Kurven für NC-Transistor, der auf der V . beruht _int -V _GS in Abb. 5a und das C _G -V _GS Kurven von Steuer-MOSFETs. Das extrahierte C _MOS stimmt gut mit dem gemessenen C . überein _G. Damit ist die Gültigkeit der Berechnungsmethode belegt. Das C _FE und C _MOS gegen V _FE Kurven sind in Abb. 6b dargestellt. Ab dem Beginn des NC-Effekts ist der Absolutwert des negativen C _FE des Transistors überschreitet C _MOS zum doppelten Sweepen von V _GS die ganze Zeit in Abb. 6b. |C _FE |> C _MOS und C _FE <0 kann zu hysteresefreien Charakteristiken führen und die Anpassung von C _MOS und C _FE ist für die Logikanwendungen von Vorteil [23, 24]. Hysteresefreie Kennlinien in den Fign. 2a und 3a werden beobachtet, die der gesamten Domänenübereinstimmung und dem gehemmten Ladungseinfang zugeschrieben werden [25]. Für die nicht-hysteretischen Eigenschaften ist die stabile Polarisationsumschaltung verantwortlich [26]. Darüber hinaus ist die große interne Gate-Verstärkung dV _int /dV _G> 1 wird der leichten Diskrepanz zwischen |C . zugeschrieben _FE | und C _MOS im Unterschwellenbereich, was zu einem steilen SS des NC-Geräts führt. Inzwischen gibt es eine bessere Übereinstimmung zwischen C _FE und C _MOS für den NCFET mit 40 min Passivierung als für den NCFET mit 60 min Passivierung. Somit liefert dies einen direkten Beweis dafür, dass der NCFET mit 40 min Passivierung eine bessere elektrische Leistung besitzt als der NCFET mit 60 min Passivierung. Die FE-Polarisation ändert die V _FE; daher variiert die Ladung von FE. Die Gesamtladung vervielfacht sich, was neben dem Inkrement von V . auf die FE-Polarisation zurückzuführen ist _GS . Mit anderen Worten, für das gegebene V _GS , die Ladung im Kanal steigt, sodass das I _DS verbessert. Infolgedessen tritt in den Experimenten die steile SS der Übertragungscharakteristik auf.

a Gemessenes C _G und extrahiert C _MOS als Funktion von V _GS . b C _FE und C _MOS gegen V _FE Kurven

Schlussfolgerungen

Die hysteresefreien Übertragungseigenschaften werden für die NCFETs mit 40 und 60 min Passivierung erreicht. NC-Ge-pFETs mit 40 min Passivierung haben in Experimenten bessere elektrische Eigenschaften als das NC-Bauelement mit 60 min Passivierung. Wir demonstrieren auch den NC-Effekt von HZO-basierten NCFETs. Bei NCFETs sind die steile SS und dV _int /dV _GS> 1 erhalten. Der NCFET mit 40 min Passivierung hat eine gute Anpassung zwischen C _FE und C _MOS , was zu den nicht-hysteretischen Eigenschaften beiträgt. Es wird angenommen, dass die unterschiedlichen NC-Verhalten mit der mikroskopischen Domänenwandumschaltung in den FE-Dünnschichten in Zusammenhang stehen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

B ⁺ :

Borionen

E _OT :

Äquivalente Oxiddicke

FETs:

Feldeffekttransistoren

HZO:

HfZrO_x

IC:

Integrierter Schaltkreis

I-MOS:

Stoßionisation Metall-Oxid-Halbleiter

MOS:

Metalloxid-Halbleiter

NC:

Negative Kapazität

NCFET:

Feldeffekttransistor mit negativer Kapazität

NEMFET:

Nano-elektromechanischer FET

S/D:

Quelle/Ablauf

SS:

Schwung unter der Schwelle