Optimizando NCFETs de Germanio: Cómo los Niveles de Zr en Hf₁₋ₓZrₓO₂ Influyen en el Rendimiento

Curvas P-V medidas de películas Hf_1-xZr_xO₂ con diferentes composiciones Zr recocidas a 500 y 550 ^oC. (a) y (b) son película Hf_0.67Zr_0.33O₂ recocida a 500 y 550 ^oC, respectivamente. (c) y (d) son película Hf_0.52Zr_0.48O₂ recocida a 500 y 550 ^oC, respectivamente. (e) y (f) son película Hf_0.33Zr_0.67O₂ recocida a 500 y 550 ^oC, respectivamente. Con el aumento de temperatura de post-recocido de 500 a 550 ^oC, las curvas P-V de Hf_1-xZr_xO₂ tienden a saturarse en estado de sub-bucle. Se observa evolución de comportamiento ferroeléctrico a antiferroeléctrico con el aumento de composición Zr

Resultados y Discusión

La Figura 4(a) muestra las características de transferencia medidas de NCFETs Ge con ferroeléctrico Hf_0.52Zr_0.48O₂ con diferentes temperaturas de recocido y dispositivo de control con pila dieléctrica Al₂O₃/HfO₂. El dispositivo de control se recoció a 500 °C. Todos los dispositivos tienen longitud de puerta L_G de 2 µm. El barrido forward y reverse se indican con símbolos abiertos y sólidos, respectivamente. Los NCFETs tienen corriente de conducción mucho mayor comparada con dispositivo de control. Se ve que, con el aumento de temperatura de recocido de 450 a 550 °C, el voltaje umbral V_TH de dispositivos NC se desplaza hacia dirección positiva V_GS. Los NCFETs exhiben histéresis pequeña, que se vuelve despreciable con el aumento de temperatura RTA. El efecto de atrapamiento también conduce a histéresis, pero produce bucle I_DS-V_GS anti-horario, opuesto a resultados inducidos por conmutación ferroeléctrica [18]. Curvas SS puntual vs. I_DS en Fig. 4(b) muestran que el transistor NC exhibe caída repentina en algunos puntos de SS, correspondiente al cambio abrupto de I_DS inducido por efecto NC [19]. Se observa que NCFETs logran características SS mejoradas comparadas con dispositivo de control. Encontramos que los puntos de caída repentina de los dispositivos son consistentes a diferentes temperaturas de recocido. Las curvas I_DS-V_DS medidas de NCFETs con ferroeléctrico Hf_0.52Zr_0.48O₂ recocidas a diferentes temperaturas se muestran en Fig. 4(c). Curvas I_DS-V_DS del transistor NC muestran fenómeno NDR obvio, característica típica de transistores NC [20,21,22,23]. La Figura 4(d) son gráficos de I_DS de NCFETs Ge con capa ferroeléctrica Hf_0.52Zr_0.48O₂ 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, V_TH se define como V_GS a I_DS de 10⁻⁷ A/µm. I_DS aumenta con el aumento de temperatura RTA, debido a reducción de resistencia fuente/drenaje y mejora de movilidad de portadores a mayor temperatura de recocido.

(a) Curvas I_DS-V_GS medidas para NCFETs con Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroeléctrico y dispositivo de control. (b) Curvas SS puntual vs. I_DS mostrando que NCFETs tienen SS más pronunciado comparado con MOSFET de control. (c) Curvas I_DS-V_DS para NCFETs demostrando fenómenos NDR típicos. (d) Comparación de I_DS para NCFETs recocidos a varias temperaturas a sobreimpulso de puerta de 1 V

Además del transistor ferroeléctrico Hf_0.52Zr_0.48O₂, también investigamos características eléctricas de transistores NC de Ge con ferroeléctrico Hf_0.33Zr_0.67O₂. La Figura 5(a) presenta características I_DS-V_GS de dispositivos con Hf_0.33Zr_0.67O₂ con diferentes temperaturas de recocido a V_DS = − 0,05 V y − 0,5 V. Comparado con transistores NC Hf_0.52Zr_0.48O₂, se obtiene histéresis aún menor. Similar a transistores NC Hf_0.52Zr_0.48O₂, a medida que temperatura de recocido aumenta de 450 a 550 °C, V_TH del dispositivo aumenta de − 0,63 V a 0,51 V en barrido forward a V_DS = − 0,05 V. SS puntual como función de características I_DS para NCFETs ferroeléctricos Hf_0.33Zr_0.67O₂ se muestran en Fig. 5(b). Además, dispositivos con 450 °C y 500 °C temperatura de recocido obtienen caída repentina en SS más obvia en comparación con transistor recocido a 550 °C. Los puntos de caída repentina en diferentes temperaturas de recocido ocurren al mismo voltaje de puerta. La Figura 5(c) exhibe I_DS forward y reverse de NCFETs Hf_0.33Zr_0.67O₂ a V_DS = − 0,05 V y − 0,5 V, y |V_GS–V_TH| = 1,0 V. Ya sea para barrido forward o reverse, I_DS aumenta con temperatura de recocido, consistente con característica de dispositivo Hf_0.52Zr_0.48O₂.

(a) Características de transferencia medidas de pFETs NC Ge Hf_0.33Zr_0.67O₂ recocidos de 450 a 550 °C. (b) SS puntual como función de I_DS para dispositivos Hf_0.33Zr_0.67O₂. (c) I_DS para transistores NC ferroeléctricos con diferentes temperaturas de recocido a sobreimpulso de puerta de 1 V

También investigamos el rendimiento eléctrico de NCFET Ge con menor composición Zr. Las características de transferencia de NCFETs Hf_0.67Zr_0.33O₂ recocidos a diferentes temperaturas se presentan en Fig. 6(a). No se observa fenómeno de histéresis. Comparado con dispositivos Hf_0.33Zr_0.67O₂ y Hf_0.52Zr_0.48O₂, el desplazamiento V_TH inducido por variación de temperatura de recocido es menos pronunciado en NCFETs Hf_0.67Zr_0.33O₂. Curvas SS puntual vs. I_DS en Fig. 6(b) muestran que el transistor NC Hf_0.67Zr_0.33O₂ exhibe caída repentina en algunos puntos de SS de transistor NC a V_DS = − 0,05 V. La Figura 6(c) presenta I_DS de NCFETs Ge Hf_0.67Zr_0.33O₂ 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 aumenta conforme aumenta temperatura RTA.

(a) I_DS-V_GS medido de pFETs NC Ge Hf_0.67Zr_0.33O₂ recocidos a 450 °C, 500 °C y 550 °C. (b) Características SS puntual vs. I_DS de los dispositivos. (c) I_DS para transistores NC ferroeléctricos con diferentes temperaturas de recocido a sobreimpulso de puerta de 1 V

La estabilidad del efecto NC inducido por capa ferroeléctrica del NCFET Hf_0.52Zr_0.48O₂ se verificó por mediciones de barrido DC múltiples. Las curvas I_DS-V_GS medidas sobre 100 ciclos de barrido DC se muestran en Fig. 7(a). Se ve que los valores de V_GS correspondientes a SS pronunciado son consistentes. Además, los bucles I-V en sentido horario se mantienen a través de los múltiples barridos DC. Los puntos de SS pronunciado son repetibles y estables a través de múltiples barridos DC, lo que prueba además que son inducidos por efecto NC. La Figura 7(b) presenta el mejor SS puntual y corriente de conducción a través del número de ciclos de barrido. La Figura 7(c) muestra las características de histéresis como función del número de ciclos de barrido DC. Ventana de histéresis I-V estable de ~ 82 mV se observa.

(a) Curvas I_DS-V_GS medidas de un pFET NC Ge Hf_0.52Zr_0.48O₂ sobre 100 ciclos de barrido DC. (b) Mejor SS puntual y I_DS vs. número de ciclo. (c) Características de histéresis como función del número de ciclos de barrido DC

Resumimos las características de histéresis y corriente de conducción de NCFETs Ge con diferentes composiciones Zr en Hf_1−xZr_xO₂ en Fig. 8. Como se muestra en 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, a 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 composición Zr, la histéresis disminuye rápidamente. El I_DS de NCFETs recocidos a 450 °C se grafica en Fig. 8(b), a V_DS = − 0,5 V y V_GS − V_TH = − 1,0 V. Abierto y sólido representan barrido forward y reverse, respectivamente. El dispositivo NC con Hf_0.52Zr_0.48O₂ alcanza el mayor I_DS, pero su histéresis es seria. NCFET con Hf_0.67Zr_0.33O₂ puede obtener excelente rendimiento con curvas sin histéresis y alto I_DS. A medida que la composición Zr aumenta, la capacitancia ferroeléctrica C_fe (= 0,3849*P_r/(E_c*t_fe) [24]) aumenta con el aumento de P_r, y simultáneamente, la capacitancia MOS (C_MOS) aumenta también debido al creciente permitividad de la película HZO. El I_DS y la histéresis están determinados por |C_fe| y C_MOS del transistor. Con composición Zr aumentando de 0,33 a 0,48, el aumento de |C_fe| se especula que es más lento que C_MOS, llevando al ensanchamiento de histéresis. No obstante, el mayor C_MOS produce mayor I_DS. Con el aumento adicional de composición Zr, el aumento de |C_fe| es más rápido que C_MOS, lo que podría proporcionar |C_fe| ≥ C_MOS, reduciendo la histéresis del NCFET.

Gráficos estadísticos de (a) histéresis y (b) I_DS de NCFET Ge con Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 y 0,67)

Conclusiones

Los impactos de la temperatura de recocido y composición Zr en Hf_1−xZr_xO₂ en el rendimiento eléctrico de NCFETs Ge se estudian experimentalmente. Las estequiometrías y propiedades ferroeléctricas de Hf_1−xZr_xO₂ fueron confirmadas por XPS y mediciones P-V, respectivamente. NCFETs demuestran SS puntual pronunciado y I_DS mejorado comparado con dispositivo de control, debido a efecto NC. El V_TH y I_DS de NCFETs Hf_1−xZr_xO₂ son grandemente afectados por temperatura de recocido. Mediciones de barrido DC múltiple muestran que la estabilidad del efecto NC inducido por capa ferroeléctrica se logra en NCFET. NCFET Hf_0.67Zr_0.33O₂ puede lograr más fácilmente características sin histéresis que dispositivos con mayor composición Zr.

Abreviaturas

Al₂O₃ :

Óxido de aluminio

ALD:

Deposición de capas atómicas

BF₂ ⁺ :

Ión fluoruro de boro

DC:

Corriente continua

Ge:

Germanio

GeO_x :

Óxido de germanio

HF:

Ácido fluorhídrico

HfO₂ :

Dióxido de hafnio

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

MOSFETs:

Transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor

NC:

Capacitancia negativa

Ni:

Níquel

SS:

Pendiente sub-umbral

TaN:

Nitruro de tantalio

TDMAHf:

Tetrakis (dimetilamido) hafnio

TDMAZr:

Tetrakis (dimetilamido) circonio