Optimaliseren van Germanium NCFETs: Hoe Zr Niveaus in Hf_1−xZr_xO₂ Prestaties Beïnvloeden

Resultaten en Discussie

Figuur 4(a) toont de gemeten transferkenmerken van Ge NCFETs met Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroelektrica met verschillende annealing-temperaturen en controleapparaat met Al₂O₃/HfO₂ stack dielectrica. Het controleapparaat werd geanneald bij 500 °C. Alle apparaten hebben een gatellengte L_G van 2 μm. De voorwaartse en omgekeerde sweeping worden aangeduid door de open en vaste symbolen respectievelijk. De NCFETs hebben een veel hogere dryfstroom vergeleken met het controleapparaat. Het is te zien dat, met de annealing-temperatuur stijgt van 450 tot 550 °C, de drempelspanning V_TH van de NC-apparaten verschuift naar de positieve V_GS richting. De NCFETs vertonen een kleine hysteres, die verwaarloosbaar wordt met de toename van RTA-temperatuur. Het vangsteffect leidt ook tot hysteres, maar dat produceert de counterclockwise I_DS-V_GS lus, tegengesteld aan de resultaten geïnduceerd door ferroelektrische schakeling. Punt SS vs. I_DS kurven in Fig. 4(b) tonen aan dat de NC-transistor de plotselinge daling in sommige punten van SS vertoont, overeenkomend met de abrupte verandering van I_DS geïnduceerd door het NC-effect. Het wordt waargenomen dat NCFETs de verbeterde SS-kenmerken bereiken vergeleken met het controleapparaat. We vonden dat de plotselinge daling-punten van de apparaten consistent zijn bij de verschillende annealing-temperaturen. De gemeten I_DS-V_DS kurven van de NCFETs met Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroelektrisch geanneald bij verschillende temperaturen worden getoond in Fig. 4(c). I_DS-V_DS kurven van de NC-transistor tonen het duidelijke NDR-fenomeen, wat een typisch kenmerk is van NC-transistors. Figuur 4(d) is de grafieken van de I_DS van de Ge NCFETs met de Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroelektrische laag geanneald bij 450, 500 en 550 °C respectievelijk, bij V_DS = − 0,05 V en − 0,5 V, en |V_GS − V_TH| = 1,0 V. Hier is V_TH gedefinieerd als de V_GS bij I_DS van 10⁻⁷ A/μm. I_DS neemt toe met de toename van RTA-temperatuur, wat te wijten is aan de verminderde bron/drain-weerstand en verbeterde draagtermobiliteit bij de hogere annealing-temperatuur.

Naast de Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroelektrische transistor, onderzoeken we ook de elektrische kenmerken van Ge NC-transistors met de Hf_0.33Zr_0.67O₂ ferroelektrisch. Figuur 5(a) presenteert de I_DS-V_GS kenmerken van de apparaten met Hf_0.33Zr_0.67O₂ met de verschillende annealing-temperaturen bij V_DS = − 0,05 V en − 0,5 V. Vergeleken met de Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC-transistors, wordt zelfs kleinere hysteres verkregen. Vergelijkbaar met de Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC-transistors, neemt de V_TH van het apparaat toe van − 0,63 V tot 0,51 V in de voorwaartse sweeping bij V_DS = − 0,05 V als de annealing-temperatuur stijgt van 450 tot 550 °C. Punt SS als functie van I_DS kenmerken voor de Hf_0.33Zr_0.67O₂ ferroelektrische NCFETs worden afgebeeld in Fig. 5(b). Daarnaast verkrijgen apparaten met 450 °C en 500 °C annealing-temperatuur de duidelijker plotselinge daling in SS in vergelijking met de 550 °C geannealde transistor. De plotselinge daling-punten in verschillende annealing-temperaturen treden op bij dezelfde gate-spanning. Figuur 5(c) toont voorwaartse en omgekeerde I_DS van de Hf_0.33Zr_0.67O₂ NCFETs bij V_DS = − 0,05 V en − 0,5 V, en |V_GS–V_TH| = 1,0 V. Of voor voorwaartse of omgekeerde sweeping, de I_DS neemt toe met de annealing-temperatuur, wat consistent is met het kenmerk van het Hf_0.52Zr_0.48O₂ apparaat.

We onderzoeken ook de elektrische prestaties van Ge NCFET met de kleinere Zr-samenstelling. De transferkenmerken van de Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFETs geanneald bij verschillende annealing-temperaturen worden gepresenteerd in Fig. 6(a). Geen hysteres-fenomeen wordt waargenomen. Vergeleken met Hf_0.33Zr_0.67O₂ en Hf_0.52Zr_0.48O₂ apparaten, is de V_TH verschuiving geïnduceerd door varierende annealing-temperatuur minder uitgesproken in Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFETs. Punt SS vs. I_DS kurven in Fig. 6(b) tonen aan dat de Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC-transistor de plotselinge daling in sommige punten van SS van NC-transistor vertoont bij V_DS = − 0,05 V. Figuur 6(c) presenteert de I_DS van Hf_0.67Zr_0.33O₂ Ge NCFETs geanneald 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 verhoogt I_DS als de RTA-temperatuur toeneemt.

De stabiliteit van het NC-effect geïnduceerd door de ferroelektrische laag van de Hf_0.52Zr_0.48O₂ NCFET werd geverifieerd door meerdere DC-sweep metingen. De gemeten I_DS-V_GS kurven over 100 cycli van DC-sweeping worden getoond in Fig. 7(a). Het kan worden gezien dat de waarden van V_GS die overeenkomen met steile SS consistent zijn. Daarnaast worden de clockwise I-V lussen behouden door de meerdere DC-sweeps. De steile SS-punten zijn herhaalbaar en stabiel door meerdere DC-sweeps, wat verder bewijst dat ze geïnduceerd worden door het NC-effect. Figuur 7(b) presenteert de beste punt SS en dryfstroom over het aantal sweeping-cycli. Figuur 7(c) toont de hystereskenmerken als functie van het aantal DC-sweep cycli. Stabiele I-V hysteres-venster van ~ 82 mV worden gezien.

We vatten de hysteres en dryfstroomkenmerken van Ge NCFETs met verschillende Zr-samenstellingen in Hf_1−xZr_xO₂ samen in Fig. 8. Zoals getoond in Fig. 8(a), zijn de hystereswaarden 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. Als de samenstelling toeneemt van 0,33 tot 0,48, neemt de hysteres van het NC-apparaat aanzienlijk toe. Met de verdere toename van Zr-samenstelling, neemt de hysteres snel af. De I_DS van NCFETs geanneald bij 450 °C is afgebeeld in Fig. 8(b), bij V_DS = − 0,5 V en V_GS − V_TH = − 1,0 V. Open en vast vertegenwoordigen de voorwaartse en omgekeerde sweeping respectievelijk. Het NC-apparaat met Hf_0.52Zr_0.48O₂ bereikt de hoogste I_DS, maar de hysteres is ernstig. NCFET met Hf_0.67Zr_0.33O₂ kan uitstekende prestaties behalen met hysteres-vrije curven en hoge I_DS. Als Zr-samenstelling toeneemt, neemt de ferroelektrische capaciteit C_fe (= 0,3849*P_r/(E_c*t_fe)) toe met de toename van P_r, en tegelijkertijd stijgt de MOS-capaciteit (C_MOS) ook door de groeiende permitiviteit van de HZO-film. De I_DS en hysteres worden bepaald door |C_fe| en C_MOS van de transistor. Met Zr-samenstelling toenemend van 0,33 tot 0,48, wordt de toename van |C_fe| gespeculeerd langzamer dan C_MOS, wat leidt tot het verbreeden van de hysteres. Toch produceert de grotere C_MOS een hogere I_DS. Met de verdere toename van Zr-samenstelling is de toename van |C_fe| sneller dan C_MOS, wat |C_fe| ≥ C_MOS kan bieden, wat de hysteres van NCFET vermindert.

Conclusies

De impact van de annealing-temperatuur en Zr-samenstelling in Hf_1−xZr_xO₂ op de elektrische prestaties van de Ge NCFETs is experimenteel bestudeerd. De stoichiometriën en ferroelektrische eigenschappen van Hf_1−xZr_xO₂ werden bevestigd door XPS en P-V metingen respectievelijk. NCFETs demonstreren de steile punt SS en verbeterde I_DS vergeleken met het controleapparaat, door het NC-effect. De V_TH en I_DS van de Hf_1−xZr_xO₂ NCFET worden sterk beïnvloed door de annealing-temperatuur. Meerdere DC-sweep metingen tonen aan dat de stabiliteit van het NC-effect geïnduceerd door de ferroelektrische laag bereikt wordt in NCFET. Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET kan makkelijker de hysteres-vrije kenmerken bereiken dan de apparaten met hogere Zr-samenstelling.

Afkortingen

Al₂O₃ :

Aluminiumoxide

ALD:

Atoomlaagdepositie

BF₂ ⁺ :

Borfluoride ion

DC:

Directe stroom

Ge:

Germanium

GeO_x :

Germaniumoxide

HF:

Hydrofluoriumzuur

HfO₂ :

Hafniumdioxide

HRTEM:

Hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

MOSFETs:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistors

NC:

Negatieve capaciteit

Ni:

Nikkel

SS:

Subdrempelswing

TaN:

Tantalum nitrid

TDMAHf:

Tetrakis (dimethylamido) hafnium

TDMAZr:

Tetrakis (dimethylamido) zirconium