ZrO_x-gebaseerde Negatieve-Capaciteit FET Levert Sub-60 mV/dec Subdrempelhelling

Samenvatting

Hier rapporteren we ZrO_x-gebaseerde negatieve-capaciteit (NC) FETs met een subdrempelhelling (SS) van 45,06 mV/decade onder ±1 V V_GS bereik, wat nieuwe mogelijkheden opent voor toekomstige spannings-schaalbare NCFET-toepassingen. Het ferro-elektrisch-achtige gedrag van Ge/ZrO_x/TaN condensatoren wordt toegeschreven aan zuurstofvacature-dipolen. Het NC-effect van amorfe HfO₂ en ZrO_x films wordt bewezen door de plotselinge daling van gate-lekkagestroom, het negatieve differentiële weerstand (NDR) fenomeen, de verbetering van I_DS en sub-60 subdrempelhelling. 5 nm ZrO_x-gebaseerde NCFETs bereiken een clockwise hysterese van 0,24 V, SS onder 60 mV/decade en een 12% I_DS-verbetering ten opzichte van het referentie-apparaat zonder ZrO_x. Het onderdrukte NC-effect van Al₂O₃/HfO₂ NCFET ten opzichte van ZrO_x NCFET komt door gedeeltelijke schakeling van zuurstofvacature-dipolen in de forward sweep door negatieve interfacedipolen aan de Al₂O₃/HfO₂ interface.

Achtergrond

Naarmate CMOS-apparaten kleiner worden, is de IC-techniek de "more than Moore era" binnengegaan. De drijvende kracht is vermogensreductie in plaats van transistor-miniaturisatie. De Boltzmann-tyrannie van MOSFETs (SS > 60 mV/decade) beperkt energie-/vermogenefficiëntie. Nieuwe apparaten met sub-60 mV/decade SS: impact-ionisatie MOSFETs, tunnel FETs, NCFETs. NCFETs met ferro-elektrische (FE) film zijn aantrekkelijk door eenvoudige structuur, steile SS en verbeterde stroom. Gerapporteerde FE materialen: PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE), HfZrO_x (HZO). Hoge proces temperatuur en ongewilde gate-lekkage langs korrelgrenzen van polykristallijne FE materialen beperken ontwikkeling voor state-of-the-art technologie-knooppunten. Recent: ferro-elektriciteit in amorfe Al₂O₃ en ZrO_x films via spannings-gemoduleerde zuurstofvacature-dipoles. Amorfe FE-achtige films hebben voordelen: lagere proces temperatuur, lagere lekkagestroom. Veel onderzoek naar FeFETs met amorfe gate-isolator voor niet-vlatiel geheugen en analoge synapse toepassingen. Echter, systematisch onderzoek naar single-transistor ZrO_x-gebaseerde NCFET ontbreekt.

In dit werk: Ge NCFETs met 5 nm ZrO_x FE-dielektrische laag en 5 nm Al₂O₃/HfO₂ FE-dielektrische laag. Experimenteel waargenomen sub-60 mV/decade steile helling in ZrO_x (5 nm) NCFET, toegeschreven aan NC-effect. P-V analyse van Ge/ZrO_x/TaN condensatoren: FE-achtig gedrag door spannings-geïnduceerde zuurstofvacature-dipoles. Verbeterde I_DS en plotselinge I_G daling in beide NCFETs toegeschreven aan NC-effect. NDR fenomeen waargenomen in beide. Fysiek mechanisme van interfacedipol-geïnduceerd verminderd NC-effect in Al₂O₃/HfO₂ NCFET geanalyseerd. ZrO_x NCFETs met sub-60 mV/decade, verbeterde drainspanning en lage bedrijfsspanning geschikt voor laag-vermogen NCFET-ontwerp in "more than Moore era".

Methoden

Kernprocesstappen voor NCFETs met ZrO_x en Al₂O₃/HfO₂ (Figuur 1a). Verschillende gate-dielektrische isolatoren: Al₂O₃/amorf HfO₂ (5 nm) en amorf ZrO_x (4,2 nm) op n-Ge (001) substraten via atomlaagdepositie (ALD) bij 300 °C. Precursoren: TMA (Al), TDMAHf (Hf), TDMAZr (Zr), H₂O (O). Pulstijd/puurgetijd: Hf/Zr 1,6 s/8 s; Al 0,2 s/8 s. TaN top-gate elektrode via reactieve sputtering. Bron/drain (S/D) regio's door lithografie en droog etsen. B⁺ en Ni depositie in S/D. Rapid thermal annealing (RTA) 350 °C, 30 s, 10⁸ Pa N₂. Figuur 1b, d: schema's; 1c, e: HRTEM beelden van amorfe HfO₂ (5 nm) met Al₂O₃ interfacelaag en amorfe ZrO_x (4,2 nm) op Ge (001). C-V curve ZrO_x NCFETs en XPS van TaN/ZrO_x/Ge condensatoren in bijlage.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a: P vs V kenmerken Ge/ZrO_x/TaN condensatoren bij 3,3 kHz. L_G = 8 µm. Restpolarisatie P_r neemt toe met groter V sweep-bereik. FE-achtig gedrag van amorf ZrO_x afkomstig van spannings-gedreven zuurstofvacature-dipoles. Figuur 2b: P-V curves bij frequenties 200–10 kHz. FE-gedrag stabiel; P_r daalt bij hogere frequentie door onvolledige dipolschakeling (kortere tijd voor veldrichtingsverandering).

Figuur 3a: I_DS-V_GS van Al₂O₃/HfO₂ NCFET bij V_DS = −0,05 V en −0,5 V. L_G = 3 µm. Clockwise hysterese lussen: 0,14 V (V_DS = −0,05 V, I_ds = 1 nA/µm) en 0,08 V (V_DS = −0,5 V, I_ds = 1 nA/µm). Clockwise hysterese door migratie zuurstofvacatures en bijbehorende negatieve ladingen. Zuurstofvacature-dipolen accumuleren (depleteren) aan Ge/Al₂O₃ interface onder positieve (negatieve) V_GS. Drempelspanning V_TH stijgt (daalt) bij forward (reverse) sweep. Figuur 3b: Uitgangskarakteristieken Al₂O₃/HfO₂ NCFET vs controle FET. Verzadigingsstroom >26 µA/µm, 23% toename vs controle bij |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 0,8 V. Stroomverhoging door verhoogde inversieladingsintensiteit (Q_inv) in reverse polarisatie-veld en versterking oppervlaktepotentieel. Duidelijk NDR bewijst NC-effect amorf HfO₂. NDR door onvolledige schakeling zuurstofvacature-dipolen door koppeling drain-kanaal bij toenemende V_DS. Figuur 3c: I_G-V_GS van 5 nm Al₂O₃/HfO₂ NCFET bij V_DS = −0,05 V en −0,5 V. Plotselinge I_G daling alleen tijdens reverse sweep wijst op verlaagde spanning in amorf HfO₂ en versterking oppervlaktepotentieel. Afwezigheid NC-effect tijdens forward sweep door gedeeltelijke schakeling zuurstofvacature-dipoles. Verschillend zuurstofbindend vermogen Al₂O₃ vs HfO₂ leidt tot zuurstofherverdeling en negatieve interfacedipolen aan Al₂O₃/HfO₂ interface. Negatieve interfacedipolen bemoeilijken complete polarisatieschakeling (NC-effect) in forward sweep.

Figuur 4a: Transfercurves ZrO_x NCFET bij V_DS = −0,05 V en −0,5 V. L_G = 4 µm. Clockwise hysterese: 0,24 V (V_DS = −0,05 V, I_ds = 1 nA/µm) en 0,14 V (V_DS = −0,5 V, I_DS = 1 nA/µm). Figuur 4b: Uitgangskarakteristieken ZrO_x NCFET vs controle FET. Verzadigingsstroom >30 µA/µm, 12% toename vs controle bij |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 1 V. Verbeterde stroomverhoging en duidelijker NDR wijzen op versterkt NC-effect amorf ZrO_x (5 nm) vs 5 nm HfO₂. Figuur 4c: I_G-V_GS van 5 nm ZrO_x NCFET. In tegenstelling tot Al₂O₃/HfO₂ (alleen reverse sweep), plotselinge I_G daling in beide sweep-richtingen, bewijzend versterkt NC-effect in amorf ZrO_x.

Figuur 5: Punt SS als functie van I_DS voor Al₂O₃/HfO₂ (a) en ZrO_x (b) NCFET bij V_DS = −0,05 V en −0,5 V. Figuur 5b: sub-60 mV/decade SS bereikt tijdens forward en reverse sweep bij beide V_DS. V_DS = −0,05 V: forward SS 45,1 mV/dec, reverse SS 55,2 mV/dec. V_DS = −0,5 V: forward SS 51,16 mV/dec, reverse SS 46,52 mV/dec. Verschillend zuurstof-ontruimingsvermogen (scavenging effect) Al₂O₃/HfO₂ vs ZrO_x veroorzaakt gedeeltelijke dipolschakeling in Al₂O₃/HfO₂ NCFET. Duidelijker NC-effect met sub-60 mV/decade SS in 5 nm ZrO_x NCFET.

Conclusies

We demonstreren ferro-elektrische NC ZrO_x pFETs met sub-60 mV/decade SS, lage bedrijfsspanning 1 V en hysterese <60 mV. Invloed amorf ZrO_x films op FE-gedrag verklaard door zuurstofvacature-dipoles. Verbeterde I_DS en NDR in Al₂O₃/HfO₂ en ZrO_x NCFETs vs controle. Onderdrukt NC-effect Al₂O₃/HfO₂ NCFET door gedeeltelijke dipolschakeling door interfacedipolen aan Al₂O₃/HfO₂ interface. ZrO_x NCFETs met sub-60 mV/decade, verbeterde drainspanning, lage bedrijfsspanning banen weg voor toekomstige laag-vermogen NCFET-ontwerpen.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Datasets ter ondersteuning van conclusies zijn in het artikel opgenomen.

Afkortingen

TaN:

Tantalumnitride

ZrO_x:

Zirconiumdioxide

TDMAZr:

Tetrakis(dimethylamido)zirconium

P_r:

Restpolarisatie

E_c:

Coercief elektrisch veld

MOSFETs:

Metal-oxide-semiconductor veld-effect-transistoren

Ge:

Germanium

ALD:

Atomlaagdepositie

B⁺:

Boor-ion

Al₂O₃:

Aluminiumoxide

HRTEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

Ni:

Nikkel

RTA:

Rapid thermal annealing

I_DS:

Drainstroom

V_GS:

Gate-spanning

V_TH:

Drempelspanning

NCFET:

Negatieve-capaciteit veld-effect-transistor