home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Germanium negatieve capaciteit veldeffecttransistoren:effecten van Zr-compositie in Hf1−xZrxO2

Abstract

Germanium (Ge) negatieve capaciteit veldeffecttransistoren (NCFET's) met verschillende Zr-samenstellingen in Hf1−x Zrx O2 (x =0.33, 0.48 en 0.67) zijn gefabriceerd en gekarakteriseerd. Voor elke Zr-compositie vertoont de NCFET de plotselinge daling in sommige punten van subthreshold swing (SS), die wordt veroorzaakt door het NC-effect. Aandrijfstroom I DS neemt toe met de toename van de gloeitemperatuur, wat te wijten zou moeten zijn aan de verminderde source / drain-weerstand en verbeterde mobiliteit van de drager. De steile SS-punten zijn herhaalbaar en stabiel door middel van meerdere DC-veegmetingen die aantonen dat ze worden veroorzaakt door het NC-effect. De waarden van poortspanning V GS overeenkomend met steile SS zijn consistent en met de klok mee I DS -V GS worden onderhouden via de meerdere DC-sweeps. Bij vaste gloeitemperatuur, NC-apparaat met Hf0,52 Zr0,48 O2 behaalt de hogere I DS maar grotere hysteresis in vergelijking met de andere composities. NCFET met Hf0,67 Zr0.33 O2 kan de uitstekende prestaties behalen met hysteresevrije curven en hoge I DS .

Achtergrond

De ferro-elektrische negatieve capacitieve veldeffecttransistor (NCFET) met een ferro-elektrische film die in de gate-stack is gestoken, is een veelbelovende kandidaat voor toepassingen met laag vermogen dissipatie vanwege het vermogen om de fundamentele beperking in subthreshold swing (SS) voor de conventionele metaal- oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) [1]. De verschijnselen van negatieve capaciteit (NC) in NCFET's zijn uitgebreid bestudeerd in verschillende kanaalmaterialen, waaronder silicium (Si) [2, 3], germanium (Ge) [4], germanium-tin (GeSn) [5], III-V [6], en 2D-materialen [7]. Ook zijn de NC-kenmerken aangetoond in NCFET's met verschillende ferro-elektriciteit, zoals BiFeO3 [8], PbZrTiO3 (PZT) [9], PVDF [10] en Hf1−x Zrx O2 [11]. Vergeleken met andere ferro-elektriciteit, Hf1−x Zrx O2 heeft het voordeel dat het compatibel is met CMOS-integratie. Experimentele studies hebben aangetoond dat de elektrische prestaties van NCFET's kunnen worden geoptimaliseerd door de dikte en het oppervlak van Hf1−x te variëren Zrx O2 , die de afstemming tussen MOS-capaciteit beïnvloedt (C MOS ) en ferro-elektrische capaciteit (C FE ) [12, 13]. Verwacht wordt dat de Zr-compositie in Hf1−x Zrx O2 heeft ook een grote invloed op de prestaties van NCFET's, omdat het de ferro-elektrische eigenschappen van Hf1−x bepaalt Zrx O2 . Er is echter nog steeds geen gedetailleerd onderzoek naar de effecten van Zr-samenstelling op de elektrische kenmerken van NCFET's.

In dit artikel bestuderen we uitgebreid de invloeden van de gloeitemperatuur en de Zr-samenstelling op de prestaties van Ge NCFET.

Methoden

Belangrijkste processtappen voor het fabriceren van Ge p-kanaal NCFET's met de verschillende Zr-composities in Hf1−x Zrx O2 worden getoond in Fig. 1 (a). Na de pregate-reiniging werden n-Ge (001)-substraten in de atoomlaagafzettingskamer (ALD) geladen. Een dunne Al2 O3 (25 cycli) film werd afgezet, gevolgd door de O3 passivering. Vervolgens wordt de Hf1-x Zrx O2 films (x = 0.33, 0.48 en 0.67) werden in dezelfde ALD-kamer gedeponeerd met behulp van [(CH3 )2 N]4 Hf (TDMAHf), [(CH3 )2 N]4 Zr (TDMAZr) en H2 O als respectievelijk de Hf-, Zr- en O-voorlopers. Daarna werd de TaN-metalen poort afgezet met behulp van het reactieve sputteren. Na poortpatronen en etsen, boorionen (B + ) werden geïmplanteerd in source/drain (S/D)-regio's met een energie van 20 keV en een dosis van 1 × 10 15 cm −2 . Niet-zelf-uitgelijnde S/D-metalen werden gevormd door het lift-off-proces. Ten slotte werd snelle thermische annealing (RTA) uitgevoerd bij verschillende temperaturen voor doteringsactivering, S/D-metallisatie en kristallisatie van Hf1−x Zrx O2 film. Beheer pMOSFET's met de Al2 O3 /HfO2 stapel werd ook gefabriceerd.

(een ) Belangrijkste processtappen voor de fabricage van Ge NCFET's met de verschillende Zr-samenstellingen in Hf1−x Zrx O2 ferro-elektriciteit. (b ) Schema van de gefabriceerde NC-transistor. (c ) TEM-beeld van de gate-stack van NC-apparaat ter illustratie van de 7 nm H0.52 Zr0,48 O2 laag en 2 nm Al2 O3 laag

Figuur 1(b) toont het schema van de gefabriceerde NCFET. Hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM) afbeelding in Fig. 1(c) toont de gate-stack op het Ge-kanaal van het apparaat met Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektrisch. De diktes van Al2 O3 en Hf0,52 Zr0,48 O2 lagen zijn respectievelijk 2 nm en 7 nm.

Om de stoichiometrieën van Hf1−x . te bevestigen Zrx O2 , werd de röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) meting uitgevoerd. Afbeelding 2(a) en (b) tonen de Hf4f en Zr3d foto-elektronenkernniveauspectra, respectievelijk, voor de Hf0,67 Zr0.33 O2 , Hf0,52 Zr0,48 O2 , en Hf0.33 Zr0,67 O2 films. De materiaalsamenstellingen werden berekend op basis van de oppervlakteverhouding van de pieken en de bijbehorende gevoeligheidsfactoren. De twee toppen van Zr3d 5/2 en Zr3d 3/2 hebben een spin-orbitale splitsing van 2,4 eV, die bestaat uit Refs. [14, 15]. Met de toename van de Zr-compositie in Hf1−x Zrx O2 , Zr3d , en Hf4f pieken verschuiven naar de lagere energierichting.

(een ) Hf 4f en (b ) Zr 3d kernniveauspectra voor de Hf1−x Zrx O2 samples met de verschillende Zr-composities

De ferro-elektrische eigenschappen van de Hf1−x Zrx O2 films (x = 0.33, 0.48 en 0.66) werden gekenmerkt door de polarisatie P vs. aandrijfspanning V hysterese loops meting. P -V loops werden opgenomen op de ongerepte apparaten. Afbeelding 3 toont de curven van P vs. V voor TaN/Hf1−x Zrx O2 (10 nm)/TaN-monsters in een reeks aandrijfspanningen. Met de temperatuurstijgingen na het gloeien van 500 tot 550 °C, wordt de P -V krommen van de Hf1−x Zrx O2 hebben de neiging om verzadigd te zijn in een sublustoestand. Naarmate de Zr-samenstelling toeneemt, wordt de resterende polarisatie van de film duidelijk verbeterd en wordt de verdunning van de hysteresislus bij nul-bias waargenomen, wat fenomenologisch het best kan worden beschreven als gesuperponeerde antiferro-elektrische eigenschappen [16, 17].

Gemeten P-V-curves van de Hf1-x ZrxO2-films met verschillende Zr-composities uitgegloeid bij 500 en 550 o C. (een ) en (b ) zijn de Hf0,67 Zr0.33 O2 film gegloeid bij 500 en 550 o C, respectievelijk. (c ) en (d ) zijn de Hf0,52 Zr0,48 O2 film gegloeid bij 500 en 550 o C, respectievelijk. (e ) en (f ) zijn de Hf0.33 Zr0,67 O2 film gegloeid bij 500 en 550 o C, respectievelijk. Met het nagloeien stijgt de temperatuur van 500 tot 550 o C, de P-V-curven van de Hf1-x Zrx O2 hebben de neiging om verzadigd te zijn in een sublustoestand. Een evolutie van ferro-elektrisch naar een antiferro-elektrisch-achtig gedrag wordt waargenomen met de Zr-samenstelling verhoogd

Resultaten en discussie

Afbeelding 4(a) toont de gemeten overdrachtskarakteristieken van Ge NCFET's met Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektriciteit met verschillende gloeitemperaturen en regelapparaat met Al2 O3 /HfO2 stapel diëlektricum. Het controleapparaat werd uitgegloeid bij 500°C. Alle apparaten hebben een poortlengte L G van 2 μm. Het voorwaarts en achterwaarts vegen wordt aangegeven door respectievelijk de open en ononderbroken symbolen. De NCFET's hebben een veel hogere aandrijfstroom in vergelijking met het besturingsapparaat. Het blijkt dat, wanneer de gloeitemperatuur stijgt van 450 tot 550 °C, de drempelspanning V TH van de NC-apparaten verschuift naar de positieve V GS richting. De NCFET's vertonen een kleine hysterese, die verwaarloosbaar wordt naarmate de RTA-temperatuur stijgt. Het trapping-effect leidt ook tot de hysterese, maar dat levert de I . tegen de klok in op DS -V GS lus, in tegenstelling tot de resultaten veroorzaakt door ferro-elektrische omschakeling [18]. Punt SS versus I DS curven in Fig. 4(b) laten zien dat de NC-transistor de plotselinge daling in sommige punten van SS vertoont, wat overeenkomt met de abrupte verandering van I DS veroorzaakt door het NC-effect [19]. Er wordt waargenomen dat NCFET's de verbeterde SS-kenmerken bereiken in vergelijking met het controleapparaat. We ontdekten dat de plotselinge druppelpunten van de apparaten consistent zijn bij de verschillende gloeitemperaturen. De gemeten I DS -V DS curven van de NCFET's met Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektrisch gegloeid bij verschillende temperaturen worden getoond in figuur 4 (c). Ik DS -V DS curven van de NC-transistor tonen het voor de hand liggende NDR-fenomeen, dat een typisch kenmerk is van NC-transistors [20,21,22,23]. Afbeelding 4(d) zijn de grafieken van de I DS van de Ge NCFET's met de Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektrische laag gegloeid bij respectievelijk 450, 500 en 550 °C bij V DS = − 0,05 V en − 0,5 V, en |V GS − V TH | = 1.0 V. Hier, de V TH wordt gedefinieerd als de V GS bij ik DS van 10 −7 A/μm. Ik DS neemt toe met de stijging van de RTA-temperatuur, wat te wijten is aan de verminderde source/drain-weerstand en verbeterde mobiliteit van de drager bij de hogere gloeitemperatuur.

(een ) Gemeten I DS -V GS curven voor NCFET's met Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektrisch en controleapparaat. (b ) Punt SS vs. I DS curven die aantonen dat NCFET's de steilere SS hebben in vergelijking met controle-MOSFET. (c ) Ik DS -V DS curven voor de NCFET's die de typische NDR-fenomenen aantonen. (d ) Vergelijking van de I DS voor de NCFET's gegloeid bij verschillende temperaturen bij een gate-overdrive van 1 V

Naast de Hf0,52 Zr0,48 O2 ferro-elektrische transistor, onderzoeken we ook de elektrische eigenschappen van Ge NC-transistoren met de Hf0.33 Zr0,67 O2 ferro-elektrisch. Afbeelding 5(a) geeft de I . weer DS -V GS kenmerken van de apparaten met Hf0.33 Zr0,67 O2 met de verschillende gloeitemperaturen bij V DS = − 0,05 V en − 0,5 V. Vergeleken met de Hf0,52 Zr0,48 O2 NC-transistors wordt een nog kleinere hysterese verkregen. Vergelijkbaar met de Hf0.52 Zr0,48 O2 NC-transistors, als de uitgloeitemperatuur stijgt van 450 tot 550 °C, V TH van het apparaat neemt toe van − 0,63 V tot 0,51 V in het voorwaarts vegen bij V DS = − 0,05 V. Punt SS als functie van I DS kenmerken voor de Hf0.33 Zr0,67 O2 ferro-elektrische NCFET's zijn afgebeeld in figuur 5 (b). Bovendien krijgen apparaten met een uitgloeitemperatuur van 450 °C en 500 °C de meer voor de hand liggende plotselinge daling in SS in vergelijking met de uitgegloeide transistor van 550 ° C. De plotselinge dalingspunten bij verschillende gloeitemperaturen treden op bij dezelfde poortspanning. Afbeelding 5(c) toont voorwaartse en achterwaartse I DS van de Hf0.33 Zr0,67 O2 NCFET's bij V DS = − 0,05 V en − 0,5 V, en |V GS –V TH | = 1.0 V. Of het nu gaat om vooruit of achteruit vegen, de I DS neemt toe met de gloeitemperatuur, wat consistent is met de karakteristiek van de Hf0,52 Zr0,48 O2 apparaat.

(een ) Gemeten overdrachtskarakteristieken van de Hf0.33 Zr0,67 O2 NC Ge pFET's gegloeid van 450 tot 550 °C. (b ) Punt SS als functie van I DS voor de Hf0.33 Zr0,67 O2 apparaten. (c ) Ik DS voor de ferro-elektrische NC-transistors met verschillende gloeitemperaturen bij een gate-overdrive van 1 V 

We onderzoeken ook de elektrische prestaties van Ge NCFET met de kleinere Zr-samenstelling. De overdrachtskenmerken van de Hf0.67 Zr0.33 O2 NCFET's gegloeid bij verschillende uitgloeitemperaturen worden weergegeven in figuur 6 (a). Er wordt geen hysteresisverschijnsel waargenomen. Vergeleken met Hf0.33 Zr0,67 O2 en Hf0,52 Zr0,48 O2 apparaten, de V TH verschuiving veroorzaakt door variërende gloeitemperatuur is minder uitgesproken in Hf0,67 Zr0.33 O2 NCFET's. Punt SS versus I DS krommen in Fig. 6(b) laten zien dat de Hf0,67 Zr0.33 O2 NC-transistor vertoont de plotselinge daling in sommige punten van SS van NC-transistor bij V DS = − 0,05 V. Afbeelding 6(c) geeft de I . weer DS van Hf0,67 Zr0.33 O2 Ge NCFET's gegloeid bij 450 °C, 500 °C en 550 °C, bij V DS = − 0,05 V en − 0,5 V, en |V GS –V TH | = 1.0 V. Evenzo, I DS verbetert naarmate de RTA-temperatuur stijgt.

(een ) Gemeten I DS -V GS van de Hf0,67 Zr0.33 O2 NC Ge pFET's gegloeid bij 450 °C, 500 °C en 550 °C. (b ) Punt SS versus IDS kenmerken van de apparaten. (c ) Ik DS voor de ferro-elektrische NC-transistors met verschillende uitgloeitemperaturen bij een gate-overdrive van 1 V

De stabiliteit van het NC-effect veroorzaakt door de ferro-elektrische laag van de Hf0,52 Zr0,48 O2 NCFET werd geverifieerd door meerdere DC-veegmetingen. De gemeten I DS -V GS krommen over 100 cycli van DC-sweeping worden getoond in Fig. 7(a). Het is te zien dat de waarden van V GS overeenkomend met steile SS zijn consistent. Bovendien, de I-V . met de klok mee loops worden gehandhaafd via de meerdere DC-sweeps. De steile SS-punten zijn herhaalbaar en stabiel door meerdere DC-sweeps, wat verder bewijst dat ze worden veroorzaakt door het NC-effect. Afbeelding 7(b) geeft het beste punt SS en aandrijfstroom weer over het aantal veegcycli. Afbeelding 7(c) toont de hysteresiskarakteristieken als functie van het aantal DC-zwaaicycli. Stabiele I-V hysteresisvenster van ~ 82 mV wordt gezien.

(een ) Gemeten I DS -V GS krommen van een Hf0,52 Zr0,48 O2 NC Ge pFET meer dan 100 cycli DC-vegen. (b ) Beste punt SS en I DS vs. cyclusnummer. (c ) Hysterese-eigenschappen als functie van het aantal DC-veegcycli

We vatten de hysterese samen en sturen stroomkarakteristieken van Ge NCFET's met verschillende Zr-composities in Hf1−x Zrx O2 in Afb. 8. Zoals weergegeven in Afb. 8(a), zijn de hysteresewaarden 70, 148 en 106 mV voor apparaten met x =0,33, 0,48 en 0,67, respectievelijk, bij een V DS van - 0,5  V. Naarmate de samenstelling toeneemt van 0,33 tot 0,48, neemt de hysterese van het NC-apparaat aanzienlijk toe. Met de verdere toename van de Zr-samenstelling neemt de hysterese snel af. De ik DS van NCFET's gegloeid bij 450 ° C is uitgezet in figuur 8 (b), bij V DS = − 0. 5 V en V GS − V TH = − 1. 0 V Open en vast vertegenwoordigen respectievelijk het vooruit en achteruit vegen. Het NC-apparaat met Hf0,52 Zr0,48 O2 behaalt het hoogste I DS , maar de hysterese is ernstig. NCFET met Hf0,67 Zr0.33 O2 kan uitstekende prestaties behalen met hysteresevrije curven en hoge I DS . Naarmate de Zr-samenstelling toeneemt, neemt de ferro-elektrische capaciteit C fe (= 0,3849*P r /(E c *t fe ) [24]) neemt toe met het toenemen van P r , en ondertussen, de MOS-capaciteit (C MOS ) stijgt ook als gevolg van de groeiende permittiviteit van de HZO-film. De ik DS en hysterese worden bepaald door |C fe | en C MOS van de transistor. Terwijl de Zr-samenstelling toeneemt van 0,33 tot 0,48, neemt de toename van |C fe | wordt verondersteld langzamer te zijn dan de C MOS , wat leidt tot de verbreding van de hysterese. Niettemin, de grotere C MOS produceert een hogere I DS . Met de verdere toename van de Zr-samenstelling, de toename van |C fe | is sneller dan C MOS , die |C . zou kunnen opleveren fe | ≥ C MOS , waardoor de hysterese van NCFET wordt verminderd.

Statistische plots van (a ) hysterese en (b ) Ik DS van Ge NCFET met Hf1−x Zrx O2 (x = 0,33, 0,48 en 0,67)

Conclusies

De effecten van de gloeitemperatuur en Zr-samenstelling in Hf1−x Zrx O2 op de elektrische prestaties van de Ge NCFET's worden experimenteel bestudeerd. De stoichiometrieën en ferro-elektrische eigenschappen van Hf1−x Zrx O2 werden bevestigd door XPS en P-V metingen resp. NCFET's demonstreren het steile punt SS en verbeterde I DS in vergelijking met het controleapparaat, vanwege het NC-effect. De V TH en ik DS van de Hf1−x Zrx O2 NCFET worden sterk beïnvloed door de gloeitemperatuur. Meerdere DC-zwaaimetingen tonen aan dat de stabiliteit van het NC-effect dat wordt veroorzaakt door de ferro-elektrische laag wordt bereikt in NCFET. Hf0,67 Zr0.33 O2 NCFET kan de hysteresevrije eigenschappen gemakkelijker bereiken dan de apparaten met een hogere Zr-samenstelling.

Afkortingen

Al2 O3 :

Aluminiumoxide

ALD:

Atoomlaagafzetting

BF2 + :

Boorfluoride-ion

DC:

Gelijkstroom

Ge:

Germanium

GeOx :

Germaniumoxide

HF:

Fluorwaterstofzuur

HfO2 :

Hafniumdioxide

HRTEM:

Transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie

MOSFET's:

Metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistoren

NC:

Negatieve capaciteit

Ni:

Nikkel

SS:

Subdrempelzwaai

TaN:

Tantaalnitride

TDMAHf:

Tetrakis (dimethylamido) hafnium

TDMAZr:

Tetrakis (dimethylamido) zirkonium


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Elektrische velden en capaciteit
    2. Factoren die de capaciteit beïnvloeden
    3. Digitale (AAN/UIT) Hall Effect-apparaten:schakelaars en vergrendelingen
    4. Hall-effectpositiedetectie:responslineariteit en helling voor slide-by-configuraties
    5. Air spacers voor 10nm chips
    6. Een nanometersprong naar biljoenen transistors
    7. Effect van ultraviolette bestraling op 4H-SiC PiN-diodes Kenmerken
    8. Effect van in situ gloeibehandeling op de mobiliteit en morfologie van op TIPS pentaceen gebaseerde organische veldeffecttransistoren
    9. Effect van polyethyleenglycol op de NiO-fotokathode
    10. Theoretisch onderzoek van biaxiaal trekvaste Germanium-nanodraden
    11. Effect van wolfraam nanolaagcoating op Si-elektrode in lithium-ionbatterij