ZrO_x-basierter Negativkapazitäts-FET liefert Sub-60-mV/dec-Schwellenspannungsschwung

Zusammenfassung

Es werden ZrO_x-basierte Negativkapazitäts-FETs (NCFETs) mit einem Subthreshold Swing (SS) von 45,06 mV/dekade unter ±1 V V_GS vorgestellt, was neue Möglichkeiten für zukünftige spannungsskalierbare NCFET-Anwendungen eröffnet. Das ferroelektrische Verhalten der Ge/ZrO_x/TaN-Kondensatoren wird auf Sauerstofflücken-Dipole zurückgeführt. Der NC-Effekt in amorphen HfO₂- und ZrO_x-Filmen wird durch den plötzlichen Abfall des Gate-Leckstroms, das Phänomen des negativen differentiellen Widerstands (NDR), die Steigerung von I_DS und den Sub-60-SS belegt. 5-nm-ZrO_x-NCFETs erreichen eine im Uhrzeigersinn verlaufende Hysterese von 0,24 V, SS < 60 mV/dekade und 12 % I_DS-Steigerung gegenüber dem Kontrollgerät ohne ZrO_x. Der unterdrückte NC-Effekt beim Al₂O₃/HfO₂-NCFET im Vergleich zum ZrO_x-NCFET wird auf teilweises Schalten der Sauerstofflücken-Dipole im Vorwärts-Sweep zurückgeführt, verursacht durch negative Interface-Dipole an der Al₂O₃/HfO₂-Grenzfläche.

Hintergrund

Da CMOS-Geräte kontinuierlich skalieren, hat die IC-Technik das „More-than-Moore-Zeitalter“ erreicht. Der treibende Faktor ist die Reduzierung des Stromverbrauchs, nicht mehr die Transistor-Miniaturisierung [1,2]. Allerdings begrenzt die Boltzmann-Tyrannei von MOSFETs (SS > 60 mV/dekade) die Energie-/Leistungseffizienz [3]. Neuartige Geräte mit Sub-60-mV/dekade-SS: Impact-Ionization-MOSFETs, Tunnel-FETs, NCFETs [4–7]. NCFETs mit ferroelektrischem (FE) Film sind aufgrund einfacher Struktur, steilem SS und verbesserter Treibstrom attraktiv [8–10]. Bisher untersuchte FE-Materialien: PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE), HfZrO_x (HZO) [11–17]. Hohe Prozesstemperaturen und unerwünschter Gate-Leckstrom an Korngrenzen polykristalliner FE-Materialien behindern den Einsatz an modernsten Technologieknoten [18–26]. Kürzlich wurde Ferroelektrizität in amorphen Al₂O₃- und ZrO_x-Filmen durch spannungsmodulierte Sauerstofflücken-Dipole entdeckt [27–29]. Amorphe FE-ähnliche Filme bieten Vorteile: niedrigere Prozesstemperatur, geringerer Leckstrom. Daher intensive Forschung an FeFETs mit amorphem Gate-Isolator für nichtflüchtige Speicher und analoge Synapsen [27,30–34]. Systematische Untersuchung von Ein-Transistor-ZrO_x-NCFETs fehlte bisher.

In dieser Arbeit werden Ge-NCFETs mit 5 nm ZrO_x FE-Dielektrikum und 5 nm Al₂O₃/HfO₂ FE-Dielektrikum vorgestellt. Experimentell wurde Sub-60-mV/dekade-SS im ZrO_x-NCFET beobachtet, zuzuschreiben dem NC-Effekt der ZrO_x-FE-Schicht. Polarisation P vs. Spannung V an Ge/ZrO_x/TaN-Kondensatoren analysiert. Ferroelektrisches Verhalten durch spannungsinduzierte Sauerstofflücken-Dipole. Verbessertes I_DS und plötzlicher I_G-Abfall bei Al₂O₃/HfO₂- und ZrO_x-NCFETs dem NC-Effekt zugeordnet. NDR-Phänomen in beiden beobachtet. Physikalischer Mechanismus der Interface-Dipol-induzierten NC-Abschwächung im Al₂O₃/HfO₂-NCFET analysiert. ZrO_x-NCFETs mit Sub-60-SS, verbesserter Drain-Spannung und niedriger Betriebsspannung eignen sich für Low-Power-NCFET-Design im „More-than-Moore-Zeitalter“.

Methoden

Wesentliche Prozessschritte für NCFETs mit ZrO_x und Al₂O₃/HfO₂ in Abb. 1a. Unterschiedliche Gate-Dielektrika: Al₂O₃/amorphe HfO₂ (5 nm) und amorphes ZrO_x (4,2 nm) per ALD bei 300 °C auf n-Ge (001). Vorläufer: TMA, TDMAHf, TDMAZr, H₂O. Puls-/Purge-Zeiten: Hf/Zr 1,6 s/8 s; Al 0,2 s/8 s. TaN-Top-Gate per reaktivem Sputtern. Source/Drain (S/D) per Lithografie und Trockenätzen definiert. Danach B⁺- und Ni-Abscheidung in S/D-Bereichen. Schließlich RTA bei 350 °C, 30 s, 10⁸ Pa N₂. Abb. 1b,d: Schemata der Al₂O₃/HfO₂- und ZrO_x-NCFETs. HRTEM in Abb. 1c: amorphes HfO₂ (5 nm) auf Ge(001) mit Al₂O₃-Interfacialschicht. Abb. 1e: amorphes ZrO_x (4,2 nm) auf Ge(001). C-V-Kurve und XPS von TaN/ZrO_x/Ge im Supplement (Fig. S1).

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 2a: Gemessene Polarisation P vs. Spannung V für Ge/ZrO_x/TaN-Kondensatoren bei 3,3 kHz. Gate-Länge L_G = 8 µm. Remanente Polarisation P_r steigt mit größerem V-Sweep-Bereich. Ferroelektrisches Verhalten des amorphen ZrO_x stammt von spannungsgetriebenen Sauerstofflücken-Dipolen [35]. Abb. 2b: P–V-Kurven bei 200–10 kHz. Ferroelektrisches Verhalten stabil über alle Frequenzen, aber P_r sinkt mit steigender Frequenz – unvollständiges Dipolschalten bei hohen Frequenzen [36,37]. Kürzere Feldumkehrzeit → teilweises Schalten → geringeres P_r.

Abb. 3a: I_DS–V_GS von Al₂O₃/HfO₂-NCFET bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. L_G = 3 µm. Im-Uhrzeigersinn-Hysteresen: 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). Hysterese durch Migration von Sauerstofflücken und begleitende negative Ladungen. Sauerstofflücken-Dipole akkumulieren (depletieren) an Ge/Al₂O₃-Interface unter positivem (negativem) V_GS. Schwellen-spannung V_TH steigt (fällt) bei Vorwärts- (Rückwärts-)Sweep. Abb. 3b: Ausgangskennlinien Al₂O₃/HfO₂-NCFET vs. Kontroll-FET. Sättigungsstrom > 26 µA/µm, 23 % Steigerung bei |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 0,8 V. Stromsteigerung durch erhöhte Inversionsladung Q_inv im umgekehrten Polarisationsefeld und Oberflächenpotenzialverstärkung [38,39]. Offensichtlicher NDR beweist NC-Effekt des amorphen HfO₂. NDR durch unvollständiges Schalten der Sauerstofflücken-Dipole wegen Drain-Channel-Kopplung bei steigendem V_DS [40,41]. Abb. 3c: Gate-Leckstrom I_G–V_GS bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. Plötzliche I_G-Abfälle nur im Rückwärts-Sweep → verringerte Spannung im amorphen HfO₂ und Oberflächenpotenzialverstärkung [42]. Fehlender NC-Effekt im Vorwärts-Sweep durch teilweises Schalten der Sauerstofflücken-Dipole im amorphen HfO₂ [43]. Unterschiedliche Sauerstoffaffinität von Al₂O₃ und HfO₂ führt zu Umverteilung und negativen Interface-Dipolen an Al₂O₃/HfO₂ [44,45]. Negative Interface-Dipole erschweren vollständige Polarisationumschaltung (NC-Effekt) im Vorwärts-Sweep (Supplement).

Abb. 4a: Transferkurven von ZrO_x-NCFET bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. L_G = 4 µm. Hysteresen: 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). Abb. 4b: Ausgangskennlinien ZrO_x-NCFET vs. Kontroll-FET. Sättigungsstrom > 30 µA/µm, 12 % Steigerung bei |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 1 V. Verbesserte Stromsteigerung und deutlicherer NDR zeigen verstärkten NC-Effekt des amorphen ZrO_x (5 nm) vs. 5 nm HfO₂. Abb. 4c: I_G–V_GS bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. Im Gegensatz zu Al₂O₃/HfO₂ (Abb. 3c: I_G-Abfälle nur rückwärts) treten plötzliche I_G-Abfälle sowohl vorwärts als auch rückwärts auf – Beweis für verstärkten NC-Effekt im amorphen ZrO_x.

Abb. 5a,b: Punkt-SS als Funktion von I_DS für Al₂O₃/HfO₂ und ZrO_x NCFET bei V_DS = −0,05 V und −0,5 V. Abb. 5b: Sub-60-mV/dekade-SS in Vorwärts- und Rückwärts-Sweep bei beiden V_DS. Bei V_DS = −0,05 V: Vorwärts-SS 45,1 mV/dek, Rückwärts-SS 55,2 mV/dek. Bei V_DS = −0,5 V: Vorwärts-SS 51,16 mV/dek, Rückwärts-SS 46,52 mV/dek. Durch unterschiedliche Scavenging-Effekte von Al₂O₃/HfO₂ und ZrO_x entsteht teilweises Dipolschalten im Al₂O₃/HfO₂-NCFET. Deutlich stärkerer NC-Effekt mit Sub-60-SS im 5-nm-ZrO_x-NCFET.

Schlussfolgerungen

Demonstration ferroelektrischer NC-ZrO_x-pFETs mit Sub-60-mV/dekade-SS, niedriger Betriebsspannung (1 V) und Hysterese < 60 mV. Einfluss amorpher ZrO_x-Filme auf ferroelektrisches Verhalten durch Sauerstofflücken-Dipole erklärt. Verbessertes I_DS und NDR in Al₂O₃/HfO₂- und ZrO_x-NCFETs vs. Kontrollgerät. Unterdrückter NC-Effekt im Al₂O₃/HfO₂-NCFET auf teilweises Dipolschalten durch Interface-Dipole an Al₂O₃/HfO₂ zurückzuführen. ZrO_x-NCFETs mit steilem Sub-60-SS, verbesserter Drain-Spannung und niedriger Betriebsspannung ebnen Weg für zukünftige Low-Power-NCFET-Designs.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die die Schlussfolgerungen stützenden Datensätze sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

TaN:

Tantalnitrid

ZrO_x:

Zirconiumdioxid

TDMAZr:

Tetrakis(dimethylamido)zirconium

P_r:

Remanente Polarisation

E_c:

Koerzitives Elektrisches Feld

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

Ge:

Germanium

ALD:

Atomlagenabscheidung

B⁺:

Bor-Ion

Al₂O₃:

Aluminiumoxid

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

Ni:

Nickel

RTA:

Schnellthermisches Ausheilen

I_DS:

Drainstrom

V_GS:

Gate-Spannung

V_TH:

Schwellenspannung

NCFET:

Negativkapazitäts-Feldeffekttransistor