Optimierung deutscher NCFETs: Wie Zr-Gehalte in Hf1−xZrxO2 die Leistung beeinflussen

Zusammenfassung

Germanium (Ge) Negative-Kapazität-Feldeffekttransistoren (NCFETs) mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 und 0,67) werden gefertigt und charakterisiert. Für jede Zr-Zusammensetzung zeigt der NCFET einen plötzlichen Abfall an bestimmten Punkten des Subschwellenhubs (SS), der durch den NC-Effekt induziert wird. Der Treibstrom I_DS steigt mit zunehmender Glühtemperatur, was auf reduzierten Source/Drain-Widerstand und verbesserte Trägerbeweglichkeit zurückzuführen sein dürfte. Die steilen SS-Punkte sind wiederholbar und stabil über mehrere DC-Sweep-Messungen, was beweist, dass sie durch den NC-Effekt induziert sind. Die Gate-Spannungen V_GS, die den steilen SS entsprechen, sind konsistent, und im Uhrzeigersinn verlaufende I_DS-V_GS-Schleifen bleiben über die mehrfachen DC-Sweeps erhalten. Bei fester Glühtemperatur erreicht der NC-Bauelement mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ den höheren I_DS, aber größere Hysterese im Vergleich zu den anderen Zusammensetzungen. NCFET mit Hf_0,67Zr_0,33O₂ erzielt exzellente Leistung mit hysteresisfreien Kurven und hohem I_DS.

Hintergrund

Der ferroelektrische Negative-Kapazität-Feldeffekttransistor (NCFET) mit einem in den Gate-Stack eingefügten ferroelektrischen Film ist ein vielversprechender Kandidat für niedrigenergetische Anwendungen, da er die fundamentale Beschränkung des Subschwellenhubs (SS) bei konventionellen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) überwinden kann [1]. Das Negative-Kapazität (NC)-Phänomen in NCFETs wurde in verschiedenen Kanalmaterialien umfassend untersucht, darunter Silizium (Si) [2, 3], Germanium (Ge) [4], Germanium-Zinn (GeSn) [5], III-V [6] und 2D-Materialien [7]. Auch wurden NC-Eigenschaften in NCFETs mit verschiedenen Ferroelektrika demonstriert, wie BiFeO₃ [8], PbZrTiO₃ (PZT) [9], PVDF [10] und Hf_1−xZr_xO₂ [11]. Im Vergleich zu anderen Ferroelektrika hat Hf_1−xZr_xO₂ den Vorteil der CMOS-Kompatibilität. Experimentelle Studien zeigten, dass die elektrische Leistung von NCFETs durch Variation der Dicke und Fläche von Hf_1−xZr_xO₂ optimiert werden kann, was die Anpassung zwischen MOS-Kapazität (C_MOS) und ferroelektrischer Kapazität (C_FE) beeinflusst [12, 13]. Es wird erwartet, dass die Zr-Zusammensetzung in Hf_1−xZr_xO₂ ebenfalls großen Einfluss auf die NCFET-Leistung hat, da sie die ferroelektrischen Eigenschaften von Hf_1−xZr_xO₂ bestimmt. Es fehlt jedoch noch eine detaillierte Studie zu den Auswirkungen der Zr-Zusammensetzung auf die elektrischen Eigenschaften von NCFETs.

In dieser Arbeit untersuchen wir umfassend den Einfluss der Glühtemperatur und der Zr-Zusammensetzung auf die Leistung von Ge-NCFETs.

Methoden

Wichtige Prozessschritte für die Fertigung von Ge-p-Kanal-NCFETs mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−xZr_xO₂ sind in Abb. 1(a) gezeigt. Nach der Pre-Gate-Reinigung wurden n-Ge-(001)-Substrate in die Atomlagenabscheidungskammer (ALD) geladen. Ein dünner Al₂O₃-Film (25 Zyklen) wurde abgeschieden, gefolgt von O₃-Passivierung. Anschließend wurden Hf_1-xZr_xO₂-Filme (x = 0,33, 0,48 und 0,67) in derselben ALD-Kammer mit [(CH₃)₂N]₄Hf (TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr (TDMAZr) und H₂O als Hf-, Zr- und O-Vorläufer abgeschieden. Danach wurde das TaN-Metallgate per reaktivem Sputtern abgeschieden. Nach Gate-Patterning und Ätzen wurden Bor-Ionen (B⁺) in Source/Drain (S/D)-Bereiche bei 20 keV und einer Dosis von 1 × 10¹⁵ cm⁻² implantiert. Nicht-selbstjustierte S/D-Metalle wurden durch Lift-off-Prozess gebildet. Schließlich wurde schnelles thermisches Glühen (RTA) bei verschiedenen Temperaturen für Dotantenaktivierung, S/D-Metallisierung und Kristallisation des Hf_1−xZr_xO₂-Films durchgeführt. Ge-Kontroll-pMOSFETs mit Al₂O₃/HfO₂-Stack wurden ebenfalls gefertigt.

(a) Wichtige Prozessschritte für die Fertigung von Ge-NCFETs mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−xZr_xO₂ Ferroelektrika. (b) Schema des gefertigten NC-Transistors. (c) TEM-Bild des Gate-Stacks des NC-Bauelements, das die 7 nm H_0,52Zr_0,48O₂-Schicht und 2 nm Al₂O₃-Schicht illustriert.

Abbildung 1(b) zeigt das Schema des gefertigten NCFET. Das hochauflösende Transmissionelektronenmikroskopie-Bild (HRTEM) in Abb. 1(c) zeigt den Gate-Stack auf dem Ge-Kanal des Bauelements mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrikum. Die Dicken der Al₂O₃- und Hf_0,52Zr_0,48O₂-Schichten betragen 2 nm bzw. 7 nm.

Zur Bestätigung der Stöchiometrien von Hf_1−xZr_xO₂ wurde Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) durchgeführt. Abbildung 2(a) und (b) zeigen die Hf4f- und Zr3d-Photoelektronen-Kernspektren für Hf_0,67Zr_0,33O₂, Hf_0,52Zr_0,48O₂ und Hf_0,33Zr_0,67O₂-Filme. Die Materialzusammensetzungen wurden basierend auf dem Flächenverhältnis der Peaks und den entsprechenden Empfindlichkeitsfaktoren berechnet. Die beiden Peaks von Zr3d_5/2 und Zr3d_3/2 haben eine Spin-Orbit-Aufspaltung von 2,4 eV, was mit Refs. [14, 15] übereinstimmt. Mit zunehmender Zr-Zusammensetzung in Hf_1−xZr_xO₂ verschieben sich Zr3d- und Hf4f-Peaks in Richtung niedrigerer Energie.

(a) Hf 4f und (b) Zr 3d Kernspektren für Hf_1−xZr_xO₂ Proben mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen.

Die ferroelektrischen Eigenschaften der Hf_1−xZr_xO₂-Filme (x = 0,33, 0,48 und 0,66) wurden durch Polarisation P vs. Ansteuerspannung V Hysterese-Schleifen-Messungen charakterisiert. P-V-Schleifen wurden an unberührten Bauelementen aufgezeichnet. Abbildung 3 zeigt die Kurven von P vs. V für TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 nm)/TaN Proben bei einer Reihe von Ansteuerspannungen. Mit steigender Nachglühtemperatur von 500 auf 550 °C tendieren die P-V-Kurven der Hf_1−xZr_xO₂ dazu, in einen Teilladen-Zustand zu sättigen. Mit steigender Zr-Zusammensetzung verbessert sich die Remanenzpolarisation des Films offensichtlich, und eine Verengung der Hysterese-Schleife bei Nulllast wird beobachtet, was phänomenologisch am besten als überlagerte antiferroelektrisch-ähnliche Eigenschaften beschrieben werden kann [16, 17].

Gemessene P-V-Kurven der Hf_1-xZr_xO₂ Filme mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen, geglüht bei 500 und 550 °C. (a) und (b) sind der Hf_0,67Zr_0,33O₂ Film geglüht bei 500 und 550 °C. (c) und (d) sind der Hf_0,52Zr_0,48O₂ Film geglüht bei 500 und 550 °C. (e) und (f) sind der Hf_0,33Zr_0,67O₂ Film geglüht bei 500 und 550 °C. Mit steigender Nachglühtemperatur von 500 auf 550 °C tendieren die P-V-Kurven der Hf_1-xZr_xO₂ dazu, in einen Teilladen-Zustand zu sättigen. Eine Entwicklung von ferroelektrischem zu antiferroelektrisch-ähnlichem Verhalten wird mit steigender Zr-Zusammensetzung beobachtet.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 4(a) zeigt die gemessenen Transferkennlinien von Ge-NCFETs mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrika bei verschiedenen Glühtemperaturen und dem Kontrollbauelement mit Al₂O₃/HfO₂-Stack-Dielektrikum. Das Kontrollbauelement wurde bei 500 °C geglüht. Alle Bauelemente haben eine Gatelänge L_G von 2 µm. Vorwärts- und Rückwärtssweeps werden durch offene und gefüllte Symbole angezeigt. Die NCFETs weisen einen viel höheren Treibstrom im Vergleich zum Kontrollbauelement auf. Man sieht, dass mit steigender Glühtemperatur von 450 auf 550 °C die Schwellenspannung V_TH der NC-Bauelemente in Richtung positives V_GS verschiebt. Die NCFETs zeigen eine kleine Hysterese, die mit steigender RTA-Temperatur vernachlässigbar wird. Der Fangeffekt führt ebenfalls zu Hysterese, erzeugt aber eine gegen den Uhrzeigersinn verlaufende I_DS-V_GS-Schleife, entgegengesetzt zu den durch ferroelektrisches Schalten induzierten Ergebnissen [18]. Punkt-SS vs. I_DS-Kurven in Abb. 4(b) zeigen, dass der NC-Transistor an bestimmten Punkten einen plötzlichen SS-Abfall aufweist, der der abrupten Änderung von I_DS durch den NC-Effekt entspricht [19]. Man beobachtet, dass NCFETs verbesserte SS-Eigenschaften im Vergleich zum Kontrollbauelement erreichen. Wir fanden, dass die plötzlichen Abfallpunkte der Bauelemente bei verschiedenen Glühtemperaturen konsistent sind. Die gemessenen I_DS-V_DS-Kurven der NCFETs mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrikum bei verschiedenen Temperaturen sind in Abb. 4(c) gezeigt. I_DS-V_DS-Kurven des NC-Transistors zeigen das offensichtliche NDR-Phänomen, eine typische Eigenschaft von NC-Transistoren [20–23]. Abbildung 4(d) zeigt die Plots des I_DS der Ge-NCFETs mit der Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrikum-Schicht, geglüht bei 450, 500 und 550 °C, jeweils bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V, und |V_GS − V_TH| = 1,0 V. Hier ist V_TH definiert als V_GS bei I_DS von 10⁻⁷ A/µm. I_DS steigt mit steigender RTA-Temperatur, was auf reduzierten Source/Drain-Widerstand und verbesserte Trägerbeweglichkeit bei höherer Glühtemperatur zurückzuführen ist.

(a) Gemessene I_DS-V_GS-Kurven für NCFETs mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrikum und Kontrollbauelement. (b) Punkt-SS vs. I_DS-Kurven, die zeigen, dass NCFETs steileren SS im Vergleich zum Kontroll-MOSFET haben. (c) I_DS-V_DS-Kurven für die NCFETs, die das typische NDR-Phänomen demonstrieren. (d) Vergleich des I_DS für die NCFETs, geglüht bei verschiedenen Temperaturen, bei einem Gate-Overdrive von 1 V.

Zusätzlich zu den Hf_0,52Zr_0,48O₂ Ferroelektrikum-Transistoren untersuchen wir auch die elektrischen Eigenschaften von Ge-NC-Transistoren mit Hf_0,33Zr_0,67O₂ Ferroelektrikum. Abbildung 5(a) präsentiert die I_DS-V_GS-Kennlinien der Bauelemente mit Hf_0,33Zr_0,67O₂ bei verschiedenen Glühtemperaturen bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. Im Vergleich zu den Hf_0,52Zr_0,48O₂ NC-Transistoren wird sogar noch geringere Hysterese erzielt. Ähnlich wie bei den Hf_0,52Zr_0,48O₂ NC-Transistoren verschiebt sich V_TH des Bauelements mit steigender Glühtemperatur von 450 auf 550 °C von −0,63 V auf 0,51 V im Vorwärtssweep bei V_DS = −0,05 V. Punkt-SS als Funktion von I_DS-Kennlinien für die Hf_0,33Zr_0,67O₂ Ferroelektrikum-NCFETs sind in Abb. 5(b) dargestellt. Zusätzlich erzielen Bauelemente mit 450 °C und 500 °C Glühtemperatur offensichtlichere plötzliche SS-Abfälle im Vergleich zum 550 °C geglühten Transistor. Die plötzlichen Abfallpunkte bei verschiedenen Glühtemperaturen treten an der gleichen Gate-Spannung auf. Abbildung 5(c) zeigt Vorwärts- und Rückwärts-I_DS der Hf_0,33Zr_0,67O₂ NCFETs bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V, und |V_GS–V_TH| = 1,0 V. Sowohl für Vorwärts- als auch Rückwärtssweep steigt I_DS mit der Glühtemperatur, konsistent mit der Charakteristik des Hf_0,52Zr_0,48O₂ Bauelements.

(a) Gemessene Transferkennlinien der Hf_0,33Zr_0,67O₂ NC Ge-pFETs, geglüht von 450 bis 550 °C. (b) Punkt-SS als Funktion von I_DS für die Hf_0,33Zr_0,67O₂ Bauelemente. (c) I_DS für die ferroelektrischen NC-Transistoren mit verschiedenen Glühtemperaturen bei einem Gate-Overdrive von 1 V.

Wir untersuchen auch die elektrische Leistung von Ge-NCFET mit der kleineren Zr-Zusammensetzung. Die Transferkennlinien der Hf_0,67Zr_0,33O₂ NCFETs, geglüht bei verschiedenen Temperaturen, sind in Abb. 6(a) dargestellt. Kein Hysterese-Phänomen wird beobachtet. Im Vergleich zu Hf_0,33Zr_0,67O₂ und Hf_0,52Zr_0,48O₂ Bauelementen ist die V_TH-Verschiebung durch Variation der Glühtemperatur in Hf_0,67Zr_0,33O₂ NCFETs weniger ausgeprägt. Punkt-SS vs. I_DS-Kurven in Abb. 6(b) zeigen, dass der Hf_0,67Zr_0,33O₂ NC-Transistor an bestimmten Punkten einen plötzlichen SS-Abfall bei V_DS = −0,05 V aufweist. Abbildung 6(c) präsentiert den I_DS der Hf_0,67Zr_0,33O₂ Ge-NCFETs, geglüht 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. Ebenfalls steigt I_DS mit steigender RTA-Temperatur.

(a) Gemessene I_DS-V_GS der Hf_0,67Zr_0,33O₂ NC Ge-pFETs, geglüht bei 450 °C, 500 °C und 550 °C. (b) Punkt-SS vs. I_DS-Kennlinien der Bauelemente. (c) I_DS für die ferroelektrischen NC-Transistoren mit verschiedenen Glühtemperaturen bei einem Gate-Overdrive von 1 V.

Die Stabilität des durch die ferroelektrische Schicht des Hf_0,52Zr_0,48O₂ NCFET induzierten NC-Effekts wurde durch mehrfache DC-Sweep-Messungen verifiziert. Die gemessenen I_DS-V_GS-Kurven über 100 Zyklen DC-Sweeping sind in Abb. 7(a) gezeigt. Man sieht, dass die Werte von V_GS, die den steilen SS entsprechen, konsistent sind. Zudem werden die im Uhrzeigersinn verlaufenden I-V-Schleifen über die mehrfachen DC-Sweeps beibehalten. Die steilen SS-Punkte sind wiederholbar und stabil über mehrfache DC-Sweeps, was weiter beweist, dass sie durch den NC-Effekt induziert sind. Abbildung 7(b) zeigt den besten Punkt-SS und Treibstrom über die Anzahl der Sweep-Zyklen. Abbildung 7(c) zeigt die Hysterese-Kennlinien als Funktion der Anzahl der DC-Sweep-Zyklen. Stabile I-V-Hysterese-Fenster von ~ 82 mV sind zu sehen.

(a) Gemessene I_DS-V_GS-Kurven eines Hf_0,52Zr_0,48O₂ NC Ge-pFET über 100 Zyklen DC-Sweeping. (b) Bester Punkt-SS und I_DS vs. Zykluszahl. (c) Hysterese-Kennlinien als Funktion der Anzahl der DC-Sweep-Zyklen.

Wir fassen die Hysterese- und Treibstrom-Kennlinien von Ge-NCFETs mit verschiedenen Zr-Zusammensetzungen in Hf_1−xZr_xO₂ in Abb. 8 zusammen. Wie in Abb. 8(a) gezeigt, betragen die Hysterese-Werte 70, 148 und 106 mV für Bauelemente mit x = 0,33, 0,48 und 0,67, jeweils, bei einer V_DS von –0,5 V. Mit steigender Zusammensetzung von 0,33 auf 0,48 nimmt die Hysterese des NC-Bauelements signifikant zu. Bei weiterer Erhöhung der Zr-Zusammensetzung nimmt die Hysterese rapide ab. Der I_DS der NCFETs, geglüht bei 450 °C, ist in Abb. 8(b) dargestellt, bei V_DS = −0,5 V und V_GS − V_TH = −1,0 V. Offene und gefüllte Symbole stellen Vorwärts- und Rückwärtssweep dar. Das NC-Bauelement mit Hf_0,52Zr_0,48O₂ erreicht den höchsten I_DS, aber seine Hysterese ist gravierend. NCFET mit Hf_0,67Zr_0,33O₂ kann exzellente Leistung mit hysteresisfreien Kurven und hohem I_DS erzielen. Mit steigender Zr-Zusammensetzung steigt die ferroelektrische Kapazität C_fe (= 0,3849*P_r/(E_c*t_fe) [24]) mit zunehmendem P_r, und gleichzeitig steigt die MOS-Kapazität (C_MOS) aufgrund der wachsenden Permittivität des HZO-Films. I_DS und Hysterese werden durch |C_fe| und C_MOS des Transistors bestimmt. Mit Zr-Zusammensetzung von 0,33 auf 0,48 steigend, wird der Anstieg von |C_fe| vermutet, langsamer als der von C_MOS zu sein, was zur Verbreiterung der Hysterese führt. Dennoch erzeugt die größere C_MOS einen höheren I_DS. Bei weiterer Erhöhung der Zr-Zusammensetzung steigt |C_fe| schneller als C_MOS, was |C_fe| ≥ C_MOS ermöglichen könnte und die Hysterese des NCFET reduziert.

Statistische Diagramme von (a) Hysterese und (b) I_DS von Ge-NCFET mit Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 und 0,67).

Schlussfolgerungen

Die Auswirkungen der Glühtemperatur und der Zr-Zusammensetzung in Hf_1−xZr_xO₂ auf die elektrische Leistung der Ge-NCFETs werden experimentell untersucht. Die Stöchiometrien und ferroelektrischen Eigenschaften von Hf_1−xZr_xO₂ wurden durch XPS- und P-V-Messungen bestätigt. NCFETs demonstrieren steilen Punkt-SS und verbesserten I_DS im Vergleich zum Kontrollbauelement aufgrund des NC-Effekts. V_TH und I_DS der Hf_1−xZr_xO₂ NCFETs werden stark von der Glühtemperatur beeinflusst. Mehrfache DC-Sweep-Messungen zeigen, dass die Stabilität des durch die ferroelektrische Schicht induzierten NC-Effekts in NCFETs erreicht wird. Hf_0,67Zr_0,33O₂ NCFET kann leichter hysteresisfreie Charakteristiken erreichen als Bauelemente mit höherer Zr-Zusammensetzung.

Abkürzungen

Al₂O₃ :

Aluminiumoxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂ ⁺ :

Borfid-Ion

DC:

Gleichstrom

Ge:

Germanium

GeO_x :

Germaniumoxid

HF:

Flusssäure

HfO₂ :

Hafniumdioxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionelektronenmikroskop

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

NC:

Negative Kapazität

Ni:

Nickel

SS:

Subschwellenhub

TaN:

Tantalnitrid

TDMAHf:

Tetrakis(dimethylamido)hafnium

TDMAZr:

Tetrakis(dimethylamido)zirconium