ZrOx-Feldeffekttransistor mit negativer Kapazität und Schwingverhalten unter 60 unter der Schwelle

Hintergrund

Da sich komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS) ständig verkleinern, ist die Technik der integrierten Schaltungen (IC) in die Ära der „mehr als Moore-Ära“ eingetreten. Die treibende Kraft der IC-Industrie und -Technologie wird die Reduzierung des Stromverbrauchs anstelle der Miniaturisierung von Transistoren [1, 2]. Die Boltzmann-Tyrannei der MOSFETs, mehr als 60 mV/Dekade SS, hat jedoch die Energie-/Leistungseffizienz eingeschränkt [3]. In den letzten Jahren haben viele vorgeschlagene neuartige Bauelemente die Fähigkeit, einen Schwellenhub von unter 60 mV/Dekade zu erreichen, einschließlich Stoßionisations-MOSFETs, Tunnel-FETs und NCFETs [4,5,6,7]. Aufgrund der einfachen Struktur, des steilen SS und des verbesserten Ansteuerstroms wurden NCFETs mit einem ferroelektrischen (FE)-Film als attraktive Alternative zu diesen neuen Geräten angesehen [8,9,10]. Die berichteten Experimente an NCFETs umfassen hauptsächlich PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE) und HfZrO_x (HZO) [11,12,13,14,15,16,17]. Allerdings haben die hohe Prozesstemperatur und der unerwünschte Gate-Leckstrom entlang der Korngrenzen polykristalliner ferroelektrischer Materialien deren Entwicklung für die hochmodernen Technologieknoten eingeschränkt [18,19,20,21,22,23,24,25 ,26]. Kürzlich Ferroelektrizität in amorphem Al₂ O₃ und ZrO_x Filme, die durch die spannungsmodulierten Sauerstoffleerstellendipole ermöglicht werden, wurden untersucht [27,28,29]. Verglichen mit dem kristallinen Gegenstück haben die amorphen ferroelektrisch-ähnlichen Filme signifikante Vorteile in Bezug auf eine reduzierte Prozesstemperatur und einen reduzierten Leckstrom. Daher gibt es Massenforschungen zu FeFETs mit amorphem Gate-Isolator für den nichtflüchtigen Speicher und analoge Synapsenanwendungen [27, 30, 31, 32, 33, 34]. Die systematische Untersuchung von Eintransistor-ZrO_x -basierter NCFET wurde nicht durchgeführt.

In dieser Arbeit werden Ge-NCFETs mit 5 nm ZrO_x ferroelektrische dielektrische Schicht und 5 nm Al₂ O₃ /HfO₂ ferroelektrische dielektrische Schichten wurden jeweils vorgeschlagen. Wir haben experimentell einen steilen Anstieg von unter 60 mV/Dekade in ZrO_{x . beobachtet} (5 nm) NCFET, der auf den NC-Effekt von ZrO_{x . zurückgeführt werden kann} ferroelektrische Schicht. Und wir haben die Polarisation analysiert P als Funktion der angelegten Spannung V für Ge/ZrO_x /TaN-Kondensatoren. Das ferroelektrische Verhalten von Ge/ZrO_x /TaN-Kondensatoren wird durch die spannungsinduzierten Sauerstoff-Leerstellen-Dipole induziert. Darüber hinaus haben wir das verbesserte I _DS und der plötzliche Abfall von I _G in der Al₂ O₃ /HfO₂ NCFETs und ZrO_x NCFETs zum NC-Effekt. Wir haben auch das NDR-Phänomen im Al₂ . beobachtet O₃ /HfO₂ NCFETs und ZrO_x NCFETs. Darüber hinaus haben wir den physikalischen Mechanismus des durch Grenzflächendipole induzierten verringerten NC-Effekts im Al₂ . weiter analysiert O₃ /HfO₂ NCFET. Das ZrO_x NCFETs mit einer steilen Steilheit von unter 60 mV/Dekade, verbesserter Drainspannung und niedriger Betriebsspannung eignen sich für das Design von NCFETs mit geringem Stromverbrauch in der "more than Moore-Ära".

Methoden

Wichtige Prozessschritte für NCFETs mit ZrO_x und Al₂ O₃ /HfO₂ Herstellung sind in Abb. 1a gezeigt. Verschiedene dielektrische Gate-Isolatoren, einschließlich Al₂ O₃ /amorphes HfO₂ (5 nm) Filme und amorphes ZrO_x (4,2 nm) Filme wurden auf n-Ge(001)-Substraten durch Atomlagenabscheidung (ALD) bei 300 °C gezüchtet. TMA, TDMAHf, TDMAZr und H₂ Als Vorläufer von Al, Hf, Zr bzw. O wurden O-Dampf verwendet. Die Pulszeit und die Spülzeit der Vorläufer von Hf und Zr betragen 1,6 s bzw. 8 s. Die Pulszeit und die Spülzeit der Vorläufer von Al betragen 0,2 s bzw. 8 s. Dann wurde eine TaN-Top-Gate-Elektrode auf HfO₂ . abgeschieden oder ZrO_x Oberflächen durch reaktives Sputtern. Source/Drain-(S/D)-Bereiche wurden durch lithographisches Mustern und Trockenätzen definiert. Danach Bor (B ⁺ ) und Nickel (Ni) wurde in Source/Drain (S/D)-Gebieten abgeschieden. Schließlich schnelles thermisches Tempern (RTA) bei 350 °C für 30 s in einem 10 ⁸ Pa Stickstoffumgebung wurde durchgeführt. Abbildung 1b, d zeigen die schematische Darstellung des hergestellten Al₂ . O₃ /HfO₂ NCFETs und ZrO_x NCFETs. Das hochauflösende Transmissionselektronenmikroskop (HRTEM)-Bild in Abb. 1c zeigt das amorphe HfO₂ (5 nm) Film auf Ge (001) mit Al₂ O₃ Grenzflächenschicht. Das HRTEM-Bild in Abb. 1e zeigt das amorphe ZrO_x (4,2 nm) Film auf Ge (001). Die C-V-Kurve von ZrO_x NCFETs und die Röntgen-Photoelektronenspektren (XPS) von TaN/ZrO_x (4,2 nm)/Ge-Kondensatoren wurden in Zusatzdatei 1 gemessen:Abb. S1.

a Wichtige Prozessschritte für die Herstellung des Al₂ O₃ /5 nm HfO₂ NCFETs und 4,2 nm ZrO_x NCFETs. b Schaltpläne und c HRTEM-Bilder des hergestellten ZrO_x NCFETs. d Schaltpläne und e HRTEM-Bilder des hergestellten Al₂ O₃ /HfO₂ NCFETs

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die gemessenen Polarisationskurven P vs. angelegte Spannung V Eigenschaften für Ge/ZrO_x /TaN-Kondensatoren bei 3,3 kHz. Die Gate-Länge (L _G ) der Kondensatoren sind 8 μm groß. Es wird beobachtet, dass die Restpolarisation P _r des Ge/ZrO_x /TaN-Kondensatoren können mit einem größeren Abtastbereich von V . verbessert werden . Das ferroelektrische Verhalten des amorphen ZrO_x Es wird vermutet, dass der Film in Abb. 2a von den spannungsgesteuerten Sauerstoffleerstellendipolen stammt [35]. Abbildung 2b zeigt den gemessenen P–V Kurven für Ge/ZrO_x /TaN-Kondensatoren bei verschiedenen Frequenzen von 200 bis 10 kHz. Wir können sehen, dass das ferroelektrische Verhalten des amorphen ZrO_x Film bleibt für alle Frequenzen stabil. Die P _r des amorphen ZrO_x Film wird mit den erhöhten Frequenzen reduziert. Dieses Phänomen kann durch das unvollständige Schalten der Dipole bei hohen Messfrequenzen erklärt werden [36, 37]. Mit zunehmenden Messfrequenzen wird die Zeit für die Richtungsänderung des elektrischen Feldes im amorphen ZrO_x Film abnimmt. Daher ist ein Teil des Umschaltens von Sauerstoffleerstellen-Diploen unvollständig, was zu einem verringerten P . führt _r .

Gemessener P gegen V Eigenschaften des 4,2 nm ZrO_x Kondensatoren mit a verschiedene Kehrbereiche von V und b verschiedene Messfrequenzen

Abbildung 3a zeigt das gemessene I _DS –V _GS Kurven eines ferroelektrischen Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Das L _G der Geräte beträgt 3 μm. Die Hystereseschleifen von 0,14 V (V _DS = − 0,05 V, I _ds = 1 nA/μm) und 0,08 V (V _DS = − 0.5 V, I _ds = 1 nA/μm) werden jeweils demonstriert. Die Hystereseschleifen im Uhrzeigersinn werden der Wanderung von Sauerstoffleerstellen und den begleitenden negativen Ladungen zugeschrieben. Die Sauerstoff-Leerstellen-Dipole akkumulieren (verarmen) im Ge/Al₂ O₃ Schnittstelle unter positiv (negativ) V _GS . Daher ist die Schwellenspannung (V _TH ) steigt (sinkt) unter Vorwärts- (Rückwärts-) Wobbeln von Gatespannungen. Wie in Fig. 3b gezeigt, sind die Ausgangseigenschaften des Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET und der Steuer-FET werden verglichen. Der Sättigungsstrom des Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET überschreitet 26 μA/μm, mit einem Anstieg von 23% im Vergleich zum Steuer-FET bei |V _GS –V _TH | =|V _DS |= 0,8 V. Die Stromverstärkung wird durch die erhöhte Inversionsladungsintensität (Q _inv ) im elektrischen Feld mit umgekehrter Polarisation und der Verstärkung des Oberflächenpotentials [38, 39]. Zusätzlich zur Stromverstärkung beweist der erhaltene offensichtliche NDR den NC-Effekt des amorphen HfO₂ Film. Der NDR-Effekt wird durch das unvollständige Schalten von Sauerstoffleerstellen-Dipolen aufgrund der Kopplung von Drain-Kanal als V . verursacht _DS steigt [40, 41]. Abbildung 3c vergleicht die gemessene Gate-Leckage I _G –V _GS Kurven für das 5 nm Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Der plötzliche Abfall von I _G nur während des Rückwärts-Sweeps zeigen die verringerte Spannung im amorphen HfO₂ Film und die Verstärkung des Oberflächenpotentials [42]. Das Fehlen des NC-Effekts während des Vorwärts-Sweeps wird durch das partielle Umschalten von Sauerstoff-Leerstellen-Dipolen im amorphen HfO₂ . verursacht Film [43]. Die unterschiedliche Fähigkeit, Sauerstoffatome zwischen Al₂ . zu enthalten O₃ und HfO₂ Schicht führt zu Sauerstoffumverteilung und negativen Grenzflächendipolen am Al₂ O₃ /HfO₂ Schnittstelle [44, 45]. Aufgrund des Vorhandenseins negativer Grenzflächendipole ist es für das amorphe HfO₂ . schwierig Film, um eine vollständige Polarisationsumschaltung (NC-Effekt) im Vorwärts-Sweep zu realisieren (Zusatzdatei 1).

a Gemessen I _DS –V _GS Kurven des 5 nm-HfO₂ NCFET bei V _DS = − 0.5 V und V _DS = − 0,05 V. b Gemessen I _DS –V _DS Kurven des HfO₂ NCFET und der Steuer-MOSFET. c Gemessen I _G –V _GS Kurven des 5 nm-HfO₂ NCFET bei V _DS = − 0.5 V und V _DS = − 0,05 V

Abbildung 4a zeigt die gemessenen Übertragungskurven eines ferroelektrischen ZrO_x NCFET am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Das L _G der beiden Geräte sind 4 μm groß. Die Hystereseschleifen im Uhrzeigersinn von 0,24 V (V _DS = − 0,05 V, I _ds = 1 nA/μm) und 0,14 V (V _DS = − 0.5 V, I _DS = 1 nA/μm) werden jeweils demonstriert. Wie in Abb. 4b gezeigt, sind die Ausgangseigenschaften von ZrO_x NCFET und der Steuer-FET werden verglichen. Der Sättigungsstrom des ZrO_x NCFET überschreitet 30 μA/μm, mit einem Anstieg von 12 % im Vergleich zum Steuer-FET bei |V _GS –V _TH | =|V _DS |= 1 V. Die verbesserte Stromverstärkung und der deutlichere NDR zeigen den verbesserten NC-Effekt des amorphen ZrO_x Film (5 nm) Kontrast zu dem von 5 nm HfO₂ Film. Abbildung 4c vergleicht den gemessenen Gate-Leckstrom I _G –V _GS Kurven für das 5 nm ZrO_x NCFET am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Verglichen mit dem plötzlichen I _G Tropfen Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET nur während des Rückwärts-Sweeps in Abb. 3c, die plötzlichen Abfalle von I _G sowohl beim Vorwärts- als auch beim Rückwärts-Sweepen in Abb. 4c beweisen auch den verstärkten NC-Effekt im amorphen ZrO_x filmen.

a Gemessen I _DS –V _GS Kurven des 5 nm ZrO_x NCFET bei V _DS = − 0.5 V und V _DS = − 0,05 V. b Gemessen I _DS –V _DS Kurven des ZrO_x NCFET und der Kontroll-MOSFET demonstrieren das offensichtliche NDR-Phänomen. c Gemessen I _G –V _GS Kurven des 5 nm ZrO_x NCFET bei V _DS = − 0.5 V und V _DS = − 0,05 V

Abbildung 5a, b zeigt den Punkt SS als Funktion von I _DS für die Al₂ O₃ /HfO₂ und ZrO_x NCFET am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Wie in Abb. 5b gezeigt, kann beim Vorwärts- oder Rückwärts-Wobbeln von V . ein Unterschwellenhub (SS) von unter 60 mV/Dekade erreicht werden _GS am V _DS von − 0,05 V und − 0,5 V. Wenn V _DS - 0,05 V, ein Punkt-Vorwärts-SS von 45,1 mV/Dez und ein Punkt-Rückwärts-SS von 55,2 mV/Dez wurden erreicht. Wenn V _DS –  0,5 V, ein Punkt-Vorwärts-SS von 51,16 mV/Dez und ein Punkt-Rückwärts-SS von 46,52 mV/Dez wurden erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Fähigkeit der Spülwirkung für das Al₂ O₃ /HfO₂ und ZrO_x Schicht wird das Schalten der partikulären Dipole in der Al₂ . verursacht O₃ /HfO₂ NCFET. Daher wird der offensichtlichere NC-Effekt mit sub-60 mV/Dekade SS in 5 nm ZrO_{x . erreicht} NCFET.

Punkt SS als Funktion von I _DS für die a Al₂ O₃ /5 nm HfO₂ NCFETs und b 5 nm ZrO_x NCFETs

Schlussfolgerungen

Wir berichten über die Demonstration von ferroelektrischem NC ZrO_x pFETs mit einem SS unter 60 mV/Dekade, einer niedrigen Betriebsspannung von 1 V und einer Hysterese von weniger als 60 mV. Der Einfluss des amorphen ZrO_x Filme auf das ferroelektrische Verhalten wird durch die Sauerstoffleerstellendipole erklärt. Das verbesserte I _DS und NDR-Phänomen werden auch in Al₂ . erhalten O₃ /HfO₂ NCFETs und ZrO_x NCFETs im Vergleich zum Steuergerät. Der unterdrückte NC-Effekt des Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET kann auf partielle Dipolumschaltung aufgrund von Grenzflächendipolen am Al₂ . zurückgeführt werden O₃ /HfO₂ Schnittstelle. Das ZrO_x NCFETs mit einer steilen Flanke von unter 60 mV/Dekade, verbesserter Drainspannung und niedriger Betriebsspannung ebnen einen neuen Weg für das zukünftige Design von NCFETs mit geringem Stromverbrauch.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

TaN:

Tantalnitrid

ZrO_x :

Zirkoniumdioxid

TDMAZr:

Tetrakis (Dimethylamido) Zirkonium

P _r :

Restpolarisation

E _c :

Elektrisches Koerzitivfeld

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

Ge:

Germanium

ALD:

Atomlagenabscheidung

B ⁺ :

Bor-Ionen

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

Ni:

Nickel

RTA:

Vergütetes thermisches Glühen

I _DS :

Strom entziehen

V _GS :

Gate-Spannung

V _TH :

Schwellenspannung

NCFET:

Feldeffekttransistor mit negativer Kapazität