Transistores de efecto de campo de capacitancia negativa de germanio:Impactos de la composición de Zr en Hf1 − xZrxO2

Resumen

Transistores de efecto de campo de capacitancia negativa de germanio (Ge) (NCFET) con varias composiciones de Zr en Hf _{1− x} Zr _x O ₂ ( x =0,33, 0,48 y 0,67) se fabrican y caracterizan. Para cada composición de Zr, el NCFET muestra la caída repentina en algunos puntos de oscilación por debajo del umbral (SS), que es inducida por el efecto NC. Conducir la corriente I _DS aumenta con el aumento de la temperatura de recocido, lo que debería deberse a la reducción de la resistencia a la fuente / drenaje y a la mejora de la movilidad del portador. Los puntos SS empinados son repetibles y estables a través de múltiples mediciones de barrido de CC, lo que demuestra que son inducidos por el efecto NC. Los valores del voltaje de la puerta V _GS correspondientes a SS empinadas son consistentes y en el sentido de las agujas del reloj I _DS - V _GS se mantienen a través de los múltiples barridos de CC. A temperatura de recocido fija, dispositivo NC con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ logra el I más alto _DS pero histéresis mayor en comparación con las otras composiciones. NCFET con Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ puede obtener el excelente rendimiento con curvas sin histéresis y alto I _DS .

Antecedentes

El transistor de efecto de campo de capacitancia negativa ferroeléctrica (NCFET) con una película ferroeléctrica insertada en la pila de compuertas es un candidato prometedor para las aplicaciones de disipación de baja potencia debido a su capacidad para superar la limitación fundamental en la oscilación por debajo del umbral (SS) para el metal convencional. transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido (MOSFET) [1]. Los fenómenos de capacitancia negativa (NC) en los NCFET se han estudiado exhaustivamente en diferentes materiales de canales, incluidos el silicio (Si) [2, 3], el germanio (Ge) [4], el germanio-estaño (GeSn) [5], III – V [6] y materiales 2D [7]. Además, las características NC se han demostrado en NCFET con varios ferroeléctricos, como BiFeO ₃ [8], PbZrTiO ₃ (PZT) [9], PVDF [10] y Hf _{1− x} Zr _x O ₂ [11]. En comparación con otros ferroeléctricos, Hf _{1− x} Zr _x O ₂ tiene la ventaja de ser compatible con la integración CMOS. Los estudios experimentales han demostrado que el rendimiento eléctrico de los NCFET se puede optimizar variando el grosor y el área de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , que afecta la coincidencia entre la capacitancia MOS ( C _MOS ) y capacitancia ferroeléctrica ( C _FE ) [12, 13]. Se espera que la composición de Zr en Hf _{1− x} Zr _x O ₂ también tiene un gran impacto en el rendimiento de los NCFET, ya que determina las propiedades ferroeléctricas de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ . Sin embargo, todavía falta un estudio detallado sobre los impactos de la composición de Zr en las características eléctricas de los NCFET.

En este artículo, estudiamos exhaustivamente las influencias de la temperatura de recocido y la composición de Zr en el rendimiento de Ge NCFET.

Métodos

Pasos clave del proceso para fabricar NCFET de canal p de Ge con las diferentes composiciones de Zr en Hf _{1− x} Zr _x O ₂ se muestran en la Fig. 1 (a). Después de la limpieza previa a la compuerta, se cargaron sustratos n-Ge (001) en la cámara de deposición de la capa de átomos (ALD). Una fina Al ₂ O ₃ (25 ciclos) se depositó la película, que fue seguida por el O ₃ pasivación. Luego, el Hf _{1- x} Zr _x O ₂ Las películas (x =0,33, 0,48 y 0,67) se depositaron en la misma cámara de ALD utilizando [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Hf (TDMAHf), [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Zr (TDMAZr) y H ₂ O como precursores de Hf, Zr y O, respectivamente. Después de eso, la puerta de metal TaN se depositó utilizando la pulverización catódica reactiva. Después del modelado y grabado de la puerta, los iones de boro (B ⁺ ) se implantaron en regiones de fuente / drenaje (S / D) a una energía de 20 keV y una dosis de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . Los metales S / D no autoalineados se formaron mediante un proceso de despegue. Finalmente, se llevó a cabo un recocido térmico rápido (RTA) a varias temperaturas para la activación del dopante, la metalización S / D y la cristalización de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ película. Controle los pMOSFET con el Al ₂ O ₃ / HfO ₂ También se fabricó la pila.

( a ) Pasos clave del proceso para la fabricación de Ge NCFET con las diferentes composiciones de Zr en Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ ferroeléctricos. ( b ) Esquema del transistor NC fabricado. ( c ) Imagen TEM de la pila de puertas del dispositivo NC que ilustra el H _0.52 de 7 nm Zr _0,48 O ₂ capa y 2 nm Al ₂ O ₃ capa

La Figura 1 (b) muestra el esquema del NCFET fabricado. La imagen del microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM) en la Fig.1 (c) muestra la pila de puertas en el canal Ge del dispositivo con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ ferroeléctrico. Los espesores de Al ₂ O ₃ y Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ las capas son de 2 nm y 7 nm, respectivamente.

Para confirmar las estequiometrías de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , se llevó a cabo la medición de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). La Figura 2 (a) y (b) muestran el Hf 4f y Zr 3d espectros de nivel de núcleo de fotoelectrón, respectivamente, para el Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ , Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ y Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ Película (s. Las composiciones de material se calcularon basándose en la relación de áreas de los picos y los factores de sensibilidad correspondientes. Los dos picos de Zr 3d _5/2 y Zr 3d _3/2 tienen una división de espín-orbital de 2.4 eV, que consiste en Refs. [14, 15]. Con el incremento de la composición de Zr en Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , Zr 3d y Hf 4f los picos cambian a la dirección de energía más baja.

( a ) Hf 4f y ( b ) Zr 3d espectros de nivel de núcleo para el Hf _{1− x} Zr _x O ₂ muestras con las diferentes composiciones de Zr

Las propiedades ferroeléctricas del Hf _{1− x} Zr _x O ₂ películas ( x =0.33, 0.48 y 0.66) se caracterizaron por la polarización P frente al voltaje de la unidad V Medición de bucles de histéresis. P - V Los bucles se registraron en los dispositivos prístinos. La Figura 3 muestra las curvas de P frente a V para TaN / Hf _{1− x} Zr _x O ₂ (10 nm) / TaN muestras en una serie de voltajes de excitación. Con el aumento de la temperatura posterior al recocido de 500 a 550 ° C, la P - V curvas de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ tienden a estar saturados en un estado de sub-bucle. A medida que aumenta la composición de Zr, la polarización remanente de la película mejora obviamente y se observa el adelgazamiento del bucle de histéresis en el sesgo cero, que se puede describir fenomenológicamente mejor como características de tipo antiferroeléctrico superpuestas [16, 17].

Curvas P-V medidas del Hf _1-x Películas de ZrxO2 con diferentes composiciones de Zr recocidas a 500 y 550 ^o C. ( a ) y ( b ) son los Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ película recocida a 500 y 550 ^o C, respectivamente. ( c ) y ( d ) son los Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ película recocida a 500 y 550 ^o C, respectivamente. ( e ) y ( f ) son los Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ película recocida a 500 y 550 ^o C, respectivamente. Con el post recocido la temperatura aumenta de 500 a 550 ^o C, las curvas P-V del Hf _1-x Zr _x O ₂ tienden a estar saturados en un estado de sub-bucle. Se observa una evolución ferroeléctrica a un comportamiento similar al antiferroeléctrico con la composición de Zr aumentada

Resultados y discusión

La Figura 4 (a) muestra las características de transferencia medidas de Ge NCFET con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ ferroeléctricos con diferentes temperaturas de recocido y dispositivo de control con Al ₂ O ₃ / HfO ₂ apilar dieléctrico. El dispositivo de control se recoció a 500 ° C. Todos los dispositivos tienen una longitud de puerta L _G de 2 μm. El barrido hacia adelante y hacia atrás se indican mediante los símbolos abierto y sólido, respectivamente. Los NCFET tienen una corriente de accionamiento mucho más alta en comparación con el dispositivo de control. Se ve que, con la temperatura de recocido aumentando de 450 a 550 ° C, el voltaje umbral V _TH de los dispositivos NC cambian al positivo V _GS dirección. Los NCFET exhiben una pequeña histéresis, que se vuelve insignificante con el aumento de la temperatura del RTA. El efecto de captura también conduce a la histéresis, pero eso produce el I en sentido antihorario. _DS - V _GS bucle, opuesto a los resultados inducidos por la conmutación ferroeléctrica [18]. Punto SS frente a I _DS Las curvas de la Fig. 4 (b) muestran que el transistor NC presenta la caída repentina en algunos puntos de SS, correspondiente al cambio brusco de I _DS inducida por el efecto NC [19]. Se observa que los NCFET logran características SS mejoradas en comparación con el dispositivo de control. Descubrimos que los puntos de caída repentinos de los dispositivos son consistentes a las diferentes temperaturas de recocido. El I medido _DS - V _DS curvas de los NCFET con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ ferroeléctricos recocidos a diferentes temperaturas se muestran en la Fig. 4 (c). yo _DS - V _DS Las curvas del transistor NC muestran el obvio fenómeno NDR, que es una característica típica de los transistores NC [20, 21, 22, 23]. La Figura 4 (d) son las gráficas del I _DS de los Ge NCFET con el Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ capa ferroeléctrica recocida a 450, 500 y 550 ° C, respectivamente, a V _DS =- 0.05 V y - 0.5 V, y | V _GS - V _TH | =1.0 V. Aquí, la V _TH se define como la V _GS en I _DS de 10 ⁻⁷ A / μm. yo _DS aumenta con el aumento de la temperatura de RTA, que se debe a la reducción de la resistencia de la fuente / drenaje y la movilidad mejorada del portador a la temperatura de recocido más alta.

( a ) Medido I _DS - V _GS curvas para NCFET con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ Dispositivo ferroeléctrico y de control. ( b ) Punto SS frente a I _DS curvas que muestran que los NCFET tienen la SS más pronunciada en comparación con los MOSFET de control. ( c ) Yo _DS - V _DS curvas para los NCFET que demuestran los fenómenos típicos de NDR. ( d ) Comparación de I _DS para los NCFET recocidos a varias temperaturas con una sobremarcha de compuerta de 1 V

Además del Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ transistor ferroeléctrico, también investigamos las características eléctricas de los transistores Ge NC con el Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ ferroeléctrico. La Figura 5 (a) presenta el I _DS - V _GS características de los dispositivos con Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ con las diferentes temperaturas de recocido a V _DS =- 0.05 V y - 0.5 V. Comparado con el Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ Transistores NC, se obtiene una histéresis aún menor. Similar al Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ Transistores NC, a medida que la temperatura de recocido aumenta de 450 a 550 ° C, V _TH del dispositivo aumenta de - 0,63 V a 0,51 V en el barrido hacia adelante en V _DS =- 0.05 V. Punto SS en función de I _DS características para el Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ Los NCFET ferroeléctricos se muestran en la Fig. 5 (b). Además, los dispositivos con una temperatura de recocido de 450 ° C y 500 ° C obtienen la caída repentina más obvia en SS en comparación con el transistor recocido de 550 ° C. Los puntos de caída repentinos en diferentes temperaturas de recocido ocurren con el mismo voltaje de puerta. La figura 5 (c) muestra el avance y retroceso I _DS del Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ NCFET en V _DS =- 0.05 V y - 0.5 V, y | V _GS - V _TH | =1.0 V. Ya sea para el barrido hacia adelante o hacia atrás, el I _DS aumenta con la temperatura de recocido, que es consistente con la característica del Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ dispositivo.

( a ) Características de transferencia medidas del Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ NC Ge pFET recocidos de 450 a 550 ° C. ( b ) Punto SS en función de I _DS para el Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ dispositivos. ( c ) Yo _DS para los transistores NC ferroeléctricos con diferentes temperaturas de recocido a una sobremarcha de puerta de 1 V

También investigamos el rendimiento eléctrico de Ge NCFET con la composición de Zr más pequeña. Las características de transferencia del Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ Los NCFET recocidos a diferentes temperaturas de recocido se presentan en la Fig. 6 (a). No se observa ningún fenómeno de histéresis. Comparado con Hf _0.33 Zr _0,67 O ₂ y Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ dispositivos, el V _TH El cambio inducido por la variación de la temperatura de recocido es menos pronunciado en Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ NCFET. Punto SS frente a I _DS Las curvas de la Fig.6 (b) muestran que el Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ El transistor NC muestra la caída repentina en algunos puntos de SS del transistor NC en V _DS =- 0.05 V. La Figura 6 (c) presenta el I _DS de Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ Ge NCFET recocidos a 450 ° C, 500 ° C y 550 ° C, a V _DS =- 0.05 V y - 0.5 V, y | V _GS - V _TH | =1.0 V. Asimismo, I _DS mejora a medida que aumenta la temperatura del RTA.

( a ) Medido I _DS - V _GS del Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ NC Ge pFET recocidos a 450 ° C, 500 ° C y 550 ° C. ( b ) Punto SS frente a I _DS características de los dispositivos. ( c ) Yo _DS para los transistores NC ferroeléctricos con diferentes temperaturas de recocido a una sobremarcha de puerta de 1 V

La estabilidad del efecto NC inducido por la capa ferroeléctrica del Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ NCFET se verificó mediante múltiples mediciones de barrido de CC. El I medido _DS - V _GS Las curvas de más de 100 ciclos de barrido de CC se muestran en la Fig. 7 (a). Puede verse que los valores de V _GS correspondientes a SS empinadas son consistentes. Además, el I-V en el sentido de las agujas del reloj los bucles se mantienen a través de los múltiples barridos de CC. Los puntos SS empinados son repetibles y estables a través de múltiples barridos de CC, lo que demuestra además que son inducidos por el efecto NC. La Figura 7 (b) presenta el mejor punto SS y la corriente de excitación a través del número de ciclos de barrido. La figura 7 (c) muestra las características de histéresis en función del número de ciclos de barrido de CC. Estable I-V Se ven una ventana de histéresis de ~ 82 mV.

( a ) Medido I _DS - V _GS curvas de un Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ NC Ge pFET durante 100 ciclos de barrido de CC. ( b ) Mejor punto SS y I _DS vs. número de ciclo. ( c ) Características de histéresis en función del número de ciclos de barrido de CC

Resumimos la histéresis y las características de la corriente de impulso de los NCFET de Ge con diferentes composiciones de Zr en Hf _{1− x} Zr _x O ₂ en la Fig. 8. Como se muestra en la Fig. 8 (a), los valores de histéresis son 70, 148 y 106 mV para dispositivos con x =0,33, 0,48 y 0,67, respectivamente, en una V _DS de - 0,5 V. A medida que la composición aumenta de 0,33 a 0,48, la histéresis del dispositivo NC aumenta significativamente. Con el aumento adicional de la composición de Zr, la histéresis disminuye rápidamente. El yo _DS de NCFET recocidos a 450 ° C se representa en la Fig. 8 (b), en V _DS =- 0 . 5 V y V _GS - V _TH =- 1 . 0 V. Abierto y sólido representan el barrido hacia adelante y hacia atrás, respectivamente. El dispositivo NC con Hf _0.52 Zr _0,48 O ₂ logra el I más alto _DS , pero su histéresis es grave. NCFET con Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ puede obtener un rendimiento excelente con curvas sin histéresis y un I alto _DS . A medida que aumenta la composición de Zr, la capacitancia ferroeléctrica C _fe (=0.3849 * P _r / ( E _c * t _fe ) [24]) aumenta con el aumento de P _r , y mientras tanto, la capacitancia MOS ( C _MOS ) también aumenta debido a la permitividad creciente de la película de HZO. El yo _DS y la histéresis están determinadas por | C _fe | y C _MOS del transistor. Con la composición de Zr aumentando de 0,33 a 0,48, el aumento de | C _fe | se especula que es más lento que el C _MOS , lo que lleva a la ampliación de la histéresis. Sin embargo, la C más grande _MOS produce un I más alto _DS . Con el aumento adicional de la composición de Zr, el aumento de | C _fe | es más rápido que C _MOS , que podría proporcionar | C _fe | ≥ C _MOS , reduciendo la histéresis de NCFET.

Gráficos estadísticos de ( a ) histéresis y ( b ) Yo _DS de Ge NCFET con Hf _{1− x} Zr _x O ₂ ( x =0.33, 0.48 y 0.67)

Conclusiones

Los impactos de la temperatura de recocido y la composición de Zr en Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ sobre el rendimiento eléctrico de los Ge NCFET se estudian experimentalmente. Las estequiometrías y propiedades ferroeléctricas de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ fueron confirmados por XPS y P-V medidas, respectivamente. Los NCFET demuestran el punto empinado SS y la I mejorada _DS en comparación con el dispositivo de control, debido al efecto NC. La V _TH y yo _DS del Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ Los NCFET se ven muy afectados por la temperatura de recocido. Múltiples mediciones de barrido de CC muestran que la estabilidad del efecto NC inducido por la capa ferroeléctrica se logra en NCFET. Hf _0.67 Zr _0,33 O ₂ NCFET puede lograr más fácilmente las características sin histéresis que los dispositivos con una composición de Zr más alta.

Abreviaturas

Al ₂ O ₃ :: Óxido de aluminio
ALD:: Deposición de la capa atómica
BF ₂ ⁺ :: Ión de fluoruro de boro
DC:: Corriente continua
Ge:: Germanio
GeO _x :: Óxido de germanio
HF:: Ácido fluorhídrico
HfO ₂ :: Dióxido de hafnio
HRTEM:: Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución
MOSFET:: Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico
NC:: Capacitancia negativa
Ni:: Níquel
SS:: Oscilación del subumbral
TaN:: Nitruro de tantalio
TDMAHf:: Tetrakis (dimetilamido) hafnio
TDMAZr:: Tetrakis (dimetilamido) circonio

Ge pMOSFET con pasivación GeOx formada por ozono y posoxidación del plasma Formación de esferas de carbono monodispersas con tamaño ajustable mediante síntesis asistida por copolímero Triblock y sus propiedades de condensador

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias