FET de capacitancia negativa basado en ZrOx alcanza subumbral sub-60 mV/dec

Resumen

Se reportan FETs de capacitancia negativa (NC) basados en ZrOₓ con pendiente subumbral (SS) de 45,06 mV/dec bajo rango ±1 V V_GS, abriendo oportunidades en futuras aplicaciones NCFET escalables en voltaje. El comportamiento ferroeléctrico-like de capacitores Ge/ZrOₓ/TaN se propone originado en dipolos de vacancias de oxígeno. El efecto NC en dispositivos con películas amorfas HfO₂ y ZrOₓ se prueba por: caída brusca de fuga de puerta, resistencia diferencial negativa (NDR), mejora de I_DS y SS sub-60. NCFETs ZrOₓ 5 nm logran histéresis horaria 0,24 V, SS <60 mV/dec y 12 % mejora I_DS vs dispositivo control sin ZrOₓ. El efecto NC suprimido en NCFET Al₂O₃/HfO₂ vs ZrOₓ NCFET se relaciona con conmutación parcial de dipolos vacancias oxígeno en barrido directo por dipolos interfaciales negativos en interfaz Al₂O₃/HfO₂.

Antecedentes

Con la miniaturización CMOS, la industria IC entra en era "más que Moore". La fuerza impulsora es reducción consumo energético, no miniaturización transistores. La tiranía de Boltzmann en MOSFETs (SS >60 mV/dec) restringe eficiencia energética. Dispositivos novedosos propuestos logran SS sub-60: MOSFETs ionización impacto, FETs túnel, NCFETs. NCFETs con película ferroeléctrica (FE) son atractivos por estructura simple, SS pronunciada y corriente impulso mejorada. Experimentos NCFETs incluyen PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE), HfZrOₓ (HZO). Alta temperatura proceso y fuga puerta indeseada en fronteras grano de ferroeléctricos policristalinos restringen desarrollo en nodos tecnología punta.

Recientemente, ferroeléctricidad en películas amorfas Al₂O₃ y ZrOₓ habilitada por dipolos vacancias oxígeno modulados por voltaje ha sido investigada. Frente a contrapartes cristalinas, películas ferroeléctricas-like amorfas tienen ventajas: temperatura proceso reducida y corriente fuga. Abundante investigación en FeFETs con aislante puerta amorfo para memoria no volátil y aplicaciones sinapsis analógicas. Sin embargo, investigación sistemática en NCFETs de un transistor basados en ZrOₓ no se ha realizado.

En este trabajo, se proponen NCFETs Ge con capa dieléctrica ferroeléctrica ZrOₓ 5 nm y Al₂O₃/HfO₂ 5 nm. Se observa experimentalmente SS sub-60 mV/dec en ZrOₓ (5 nm) NCFET, atribuido a efecto NC capa ferroeléctrica ZrOₓ. Se analiza polarización P vs voltaje V para capacitores Ge/ZrOₓ/TaN. Comportamiento ferroeléctrico-like inducido por dipolos vacancias oxígeno inducidos por voltaje. Mejora I_DS y caída brusca I_G en Al₂O₃/HfO₂ y ZrOₓ NCFETs atribuida a efecto NC. Fenómeno NDR observado en ambos. Analizado mecanismo físico de dipolos interfaciales que disminuyen efecto NC en Al₂O₃/HfO₂ NCFET. NCFETs ZrOₓ con SS sub-60, voltaje drenaje mejorado y bajo voltaje operación son aptos para diseño NCFETs bajo consumo en era "más que Moore".

Métodos

Pasos clave fabricación NCFETs ZrOₓ y Al₂O₃/HfO₂ (Fig. 1a). Diferentes aislantes dieléctricos puerta: Al₂O₃/HfO₂ amorfo (5 nm) y ZrOₓ amorfo (4,2 nm) crecidos en sustratos n-Ge (001) por ALD a 300 °C. Precursores: TMA, TDMAHf, TDMAZr, H₂O vapor para Al, Hf, Zr, O. Tiempos pulso/purga: Hf/Zr 1,6 s/8 s; Al 0,2 s/8 s. Electropuerta TaN depositada por sputtering reactivo. Regiones fuente/drenaje (S/D) definidas por litografía y grabado seco. Deposición boro (B⁺) y níquel (Ni) en S/D. Recocido térmico rápido (RTA) 350 °C 30 s en N₂ 10⁸ Pa. Fig. 1b,d: esquemáticos Al₂O₃/HfO₂ y ZrOₓ NCFETs. HRTEM Fig. 1c: HfO₂ amorfo 5 nm en Ge (001) con capa interfacial Al₂O₃. HRTEM Fig. 1e: ZrOₓ amorfo 4,2 nm en Ge (001). Curva C-V ZrOₓ NCFETs y XPS TaN/ZrOₓ/Ge en Material Suplementario Fig. S1.

Resultados y discusión

Fig. 2a: Curvas P-V medidas para capacitores Ge/ZrOₓ/TaN a 3,3 kHz (L_G 8 μm). Polarización remanente P_r aumenta con rango barrido V mayor. Comportamiento ferroeléctrico-like ZrOₓ amorfo (Fig. 2a) propuesto originado en dipolos vacancias oxígeno impulsados por voltaje. Fig. 2b: Curvas P-V bajo frecuencias 200–10 kHz. Comportamiento estable en todas frecuencias; P_r disminuye al aumentar frecuencia (conmutación incompleta dipolos alta frecuencia).

Fig. 3a: Curvas I_DS-V_GS NCFET Al₂O₃/HfO₂ ferroeléctrico a V_DS −0,05 V y −0,5 V (L_G 3 μm). Bucles histéresis horarios 0,14 V (V_DS=−0,05 V, I_ds=1 nA/μm) y 0,08 V (V_DS=−0,5 V). Atribuidos a migración vacancias oxígeno y cargas negativas asociadas. Dipolos vacancias oxígeno se acumulan (agotan) en interfaz Ge/Al₂O₃ bajo V_GS positivo (negativo). V_TH aumenta (disminuye) en barrido directo (inverso). Fig. 3b: Características salida comparadas Al₂O₃/HfO₂ NCFET vs FET control. Corriente saturación Al₂O₃/HfO₂ NCFET >26 μA/μm, aumento 23 % vs control a |V_GS−V_TH|=|V_DS|=0,8 V. Mejora por aumento carga inversión (Q_inv) en campo polarización inversa y amplificación potencial superficie. NDR evidente prueba efecto NC HfO₂ amorfo. NDR por conmutación incompleta dipolos vacancias oxígeno por acoplamiento drenaje-canal al aumentar V_DS. Fig. 3c: Curvas I_G-V_GS para 5 nm Al₂O₃/HfO₂ NCFET a V_DS −0,05 V y −0,5 V. Caídas bruscas I_G solo en barrido inverso indican voltaje disminuido en HfO₂ amorfo y amplificación potencial superficie. Ausencia efecto NC en barrido directo por conmutación parcial dipolos vacancias oxígeno en HfO₂ amorfo. Diferente capacidad albergar oxígeno entre Al₂O₃ y HfO₂ causa redistribución oxígeno y dipolos interfaciales negativos en interfaz Al₂O₃/HfO₂. Por dipolos interfaciales negativos, HfO₂ amorfo dificilmente realiza conmutación polarización completa (efecto NC) en barrido directo (Material Suplementario).

Fig. 4a: Curvas transferencia NCFET ZrOₓ ferroeléctrico a V_DS −0,05 V y −0,5 V (L_G 4 μm). Bucles histéresis horarios 0,24 V (V_DS=−0,05 V, I_ds=1 nA/μm) y 0,14 V (V_DS=−0,5 V, I_DS=1 nA/μm). Fig. 4b: Características salida ZrOₓ NCFET vs FET control. Corriente saturación ZrOₓ NCFET >30 μA/μm, aumento 12 % vs control a |V_GS−V_TH|=|V_DS|=1 V. Mejora corriente y NDR más evidente indican efecto NC reforzado en ZrOₓ amorfo (5 nm) vs HfO₂ 5 nm. Fig. 4c: Curvas I_G-V_GS para 5 nm ZrOₓ NCFET. Caídas bruscas I_G en ambos barridos (directo e inverso) prueban efecto NC reforzado en ZrOₓ amorfo (vs solo inverso en Al₂O₃/HfO₂ Fig. 3c).

Fig. 5a,b: SS puntual vs I_DS para Al₂O₃/HfO₂ y ZrOₓ NCFET a V_DS −0,05 V y −0,5 V. Fig. 5b: SS sub-60 mV/dec logrado en barrido directo/inverso a ambos V_DS. V_DS=−0,05 V: SS directo 45,1 mV/dec, inverso 55,2 mV/dec. V_DS=−0,5 V: SS directo 51,16 mV/dec, inverso 46,52 mV/dec. Por diferente capacidad efecto "scavenging" Al₂O₃/HfO₂ y ZrOₓ, conmutación parcial dipolos en Al₂O₃/HfO₂ NCFET. Efecto NC más evidente con SS sub-60 en 5 nm ZrOₓ NCFET.

Conclusiones

Demostración de pFETs NC ferroeléctricos ZrOₓ con SS sub-60 mV/dec, bajo voltaje operación 1 V e histéresis <60 mV. Impacto películas ZrOₓ amorfas en comportamiento ferroeléctrico explicado por dipolos vacancias oxígeno. Mejora I_DS y fenómeno NDR en Al₂O₃/HfO₂ y ZrOₓ NCFETs vs dispositivo control. Efecto NC suprimido en Al₂O₃/HfO₂ NCFET atribuido a conmutación parcial dipolos por dipolos interfaciales en interfaz Al₂O₃/HfO₂. NCFETs ZrOₓ con SS pronunciado sub-60, voltaje drenaje mejorado y bajo voltaje operación abren nueva vía para futuro diseño NCFETs bajo consumo.

Disponibilidad de datos y materiales

Conjuntos de datos que apoyan conclusiones incluidos en el artículo.

Abreviaturas

TaN:

Nitruro de tantalio

ZrOₓ:

Dióxido de circonio

TDMAZr:

Tetrakis(dimetilamido)circonio

P_r:

Polarización remanente

E_c:

Campo eléctrico coercitivo

MOSFETs:

Transistores de efecto campo metal-óxido-semiconductor

Ge:

Germanio

ALD:

Deposición de capas atómicas

B⁺:

Ión boro

Al₂O₃:

Óxido de aluminio

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

Ni:

Níquel

RTA:

Recocido térmico rápido

I_DS:

Corriente de drenaje

V_GS:

Voltaje de puerta

V_TH:

Voltaje umbral

NCFET:

Transistor de efecto campo capacitancia negativa