Transistors à effet de champ à capacité négative au germanium :impacts de la composition du Zr dans Hf1−xZrxO2

Contexte

Le transistor à effet de champ à capacité négative ferroélectrique (NCFET) avec un film ferroélectrique inséré dans la pile de grilles est un candidat prometteur pour les applications de dissipation de faible puissance en raison de sa capacité à surmonter la limitation fondamentale de l'oscillation sous-seuil (SS) pour le métal conventionnel. transistor à effet de champ oxyde-semiconducteur (MOSFET) [1]. Les phénomènes de capacité négative (NC) dans les NCFET ont été largement étudiés dans différents matériaux de canaux, notamment le silicium (Si) [2, 3], le germanium (Ge) [4], le germanium-étain (GeSn) [5], III–V [6], et les matériaux 2D [7]. De plus, les caractéristiques NC ont été démontrées dans des NCFET avec divers ferroélectriques, tels que BiFeO₃ [8], PbZrTiO₃ (PZT) [9], PVDF [10] et Hf_1−x Zr_x O₂ [11]. Comparé à d'autres ferroélectriques, Hf_1−x Zr_x O₂ a l'avantage d'être compatible avec l'intégration CMOS. Des études expérimentales ont montré que les performances électriques des NCFET peuvent être optimisées en faisant varier l'épaisseur et la surface de Hf_1−x Zr_x O₂ , ce qui affecte la correspondance entre la capacité MOS (C _MOS ) et la capacité ferroélectrique (C _FE ) [12, 13]. On s'attend à ce que la composition de Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ a également un impact important sur les performances des NCFET, car il détermine les propriétés ferroélectriques de Hf_1−x Zr_x O₂ . Cependant, il manque encore une étude détaillée sur les impacts de la composition du Zr sur les caractéristiques électriques des NCFET.

Dans cet article, nous étudions de manière approfondie les influences de la température de recuit et de la composition en Zr sur les performances du Ge NCFET.

Méthodes

Étapes clés du processus de fabrication des NCFET Ge à canal p avec les différentes compositions de Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ sont illustrés à la figure 1(a). Après le nettoyage de la prégrille, les substrats n-Ge (001) ont été chargés dans la chambre de dépôt de couche atomique (ALD). Un mince Al₂ O₃ (25 cycles) un film a été déposé, qui a été suivi par le O₃ passivation. Ensuite, le Hf_1-x Zr_x O₂ des films (x = 0.33, 0.48 et 0.67) ont été déposés dans la même chambre ALD en utilisant [(CH₃ )₂ N]₄ Hf (TDMAHf), [(CH₃ )₂ N]₄ Zr (TDMAZr) et H₂ O comme précurseurs Hf, Zr et O, respectivement. Après cela, la grille métallique TaN a été déposée en utilisant la pulvérisation cathodique réactive. Après structuration de grille et gravure, les ions bore (B ⁺ ) ont été implantés dans des régions source/drain (S/D) à une énergie de 20 keV et une dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . Des métaux S/D non auto-alignés ont été formés par un processus de décollement. Enfin, un recuit thermique rapide (RTA) a été effectué à différentes températures pour l'activation du dopant, la métallisation S/D et la cristallisation de Hf_1−x Zr_x O₂ film. Ge contrôle les pMOSFET avec l'Al₂ O₃ /HfO₂ pile a également été fabriqué.

(un ) Étapes clés du processus pour la fabrication de Ge NCFET avec les différentes compositions de Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ ferroélectriques. (b ) Schéma du transistor NC fabriqué. (c ) Image TEM de la pile de portes du dispositif NC illustrant le 7 nm H_0,52 Zr_0.48 O₂ couche et 2 nm Al₂ O₃ couche

La figure 1(b) montre le schéma du NCFET fabriqué. L'image au microscope électronique à transmission haute résolution (HRTEM) de la figure 1(c) montre l'empilement de grilles sur le canal Ge de l'appareil avec Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ ferroélectrique. Les épaisseurs d'Al₂ O₃ et Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ les couches sont respectivement de 2 nm et 7 nm.

Pour confirmer les stoechiométries de Hf_1−x Zr_x O₂ , la mesure par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a été réalisée. Les figures 2(a) et (b) montrent le Hf4f et Zr3d spectres de niveau de coeur de photoélectrons, respectivement, pour le Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ , Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ , et Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ cinéma. Les compositions de matériaux ont été calculées sur la base du rapport de surface des pics et des facteurs de sensibilité correspondants. Les deux pics de Zr3d _5/2 et Zr3d _3/2 ont un dédoublement spin-orbital de 2,4 eV, qui est composé de Refs. [14, 15]. Avec l'incrément de la composition Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ , Zr3d , et Hf4f les pics se déplacent vers la direction d'énergie inférieure.

(un ) Hf 4f et (b ) Zr 3d spectres de niveau de base pour le Hf_1−x Zr_x O₂ échantillons avec les différentes compositions de Zr

Les propriétés ferroélectriques du Hf_1−x Zr_x O₂ films (x = 0,33, 0,48 et 0,66) ont été caractérisés par la polarisation P par rapport à la tension d'entraînement V mesure des boucles d'hystérésis. P -V boucles ont été enregistrées sur les appareils vierges. La figure 3 montre les courbes de P contre V pour TaN/Hf_1−x Zr_x O₂ (10 nm)/TaN échantillons dans une série de tensions d'entraînement. Avec les augmentations de température post-recuit de 500 à 550°C, le P -V courbes du Hf_1−x Zr_x O₂ ont tendance à être saturés dans un état de sous-boucle. Au fur et à mesure que la composition en Zr augmente, la polarisation résiduelle du film est évidemment améliorée et l'amincissement de la boucle d'hystérésis à polarisation zéro est observé, ce qui peut être mieux décrit phénoménologiquement comme des caractéristiques de type antiferroélectrique superposées [16, 17].

Courbes P-V mesurées du Hf_1-x Films ZrxO2 avec différentes compositions de Zr recuits à 500 et 550 ^o C. (a ) et (b ) sont les Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ film recuit à 500 et 550 ^o C, respectivement. (c ) et (d ) sont les Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ film recuit à 500 et 550 ^o C, respectivement. (e ) et (f ) sont les Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ film recuit à 500 et 550 ^o C, respectivement. Avec le post-recuit, la température passe de 500 à 550 ^o C, les courbes P-V du Hf_1-x Zr_x O₂ ont tendance à être saturés dans un état de sous-boucle. Une évolution ferroélectrique vers un comportement de type antiferroélectrique est observée avec l'augmentation de la composition en Zr

Résultats et discussion

La figure 4(a) montre les caractéristiques de transfert mesurées des Ge NCFET avec Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ ferroélectriques avec différentes températures de recuit et dispositif de contrôle avec Al₂ O₃ /HfO₂ diélectrique d'empilement. Le dispositif de contrôle a été recuit à 500°C. Tous les appareils ont une longueur de grille L _G de 2 μm. Les balayages avant et arrière sont indiqués par les symboles ouverts et pleins, respectivement. Les NCFET ont un courant d'entraînement beaucoup plus élevé que le dispositif de commande. On voit que, avec la température de recuit augmentant de 450 à 550 °C, la tension de seuil V _TH des appareils CN passent au V positif _GS direction. Les NCFET présentent une petite hystérésis, qui devient négligeable avec l'augmentation de la température du RTA. L'effet de piégeage conduit également à l'hystérésis, mais cela produit le I dans le sens inverse des aiguilles d'une montre _DS -V _GS boucle, à l'opposé des résultats induits par la commutation ferroélectrique [18]. Point SS contre I _DS les courbes de la figure 4(b) montrent que le transistor NC présente la chute soudaine de certains points de SS, correspondant au changement brusque de I _DS induite par l'effet NC [19]. On observe que les NCFET obtiennent les caractéristiques SS améliorées par rapport au dispositif de commande. Nous avons constaté que les points de chute soudains des dispositifs sont cohérents aux différentes températures de recuit. Le I mesuré _DS -V _DS courbes des NCFET avec Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ ferroélectrique recuit à différentes températures sont représentés sur la figure 4 (c). Je _DS -V _DS les courbes du transistor NC montrent le phénomène évident de NDR, qui est une caractéristique typique des transistors NC [20,21,22,23]. La figure 4(d) représente les tracés du I _DS des Ge NCFET avec le Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ couche ferroélectrique recuite à 450, 500 et 550°C, respectivement, à V _DS = − 0,05 V et − 0,5 V, et |V _GS − V _TH | = 1.0 V. Ici, le V _TH est défini comme le V _GS à Je _DS de 10 ^-7 A/μm. Je _DS augmente avec l'augmentation de la température RTA, ce qui est dû à la réduction de la résistance source/drain et à l'amélioration de la mobilité des porteurs à la température de recuit plus élevée.

(un ) Mesuré I _DS -V _GS courbes pour les NCFET avec Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ ferroélectrique et dispositif de contrôle. (b ) Point SS contre I _DS courbes montrant que les NCFET ont le SS plus raide par rapport au MOSFET de contrôle. (c ) Je _DS -V _DS courbes pour les NCFET démontrant les phénomènes typiques de NDR. (d ) Comparaison des I _DS pour les NCFET recuits à différentes températures à une surcharge de grille de 1 V

En plus du Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ transistor ferroélectrique, nous étudions également les caractéristiques électriques des transistors Ge NC avec le Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ ferroélectrique. La figure 5(a) présente le I _DS -V _GS caractéristiques des appareils avec Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ avec les différentes températures de recuit à V _DS = − 0,05 V et − 0,5 V. Par rapport au Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ transistors NC, une hystérésis encore plus petite est obtenue. Similaire au Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ Transistors NC, lorsque la température de recuit passe de 450 à 550 °C, V _TH de l'appareil passe de − 0.63 V à 0.51 V dans le balayage avant à V _DS = − 0,05 V. Point SS en fonction de I _DS caractéristiques pour le Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ Les NCFET ferroélectriques sont représentés sur la figure 5(b). De plus, les appareils avec une température de recuit de 450 °C et 500 °C obtiennent la baisse soudaine de SS la plus évidente par rapport au transistor recuit de 550 °C. Les points de chute soudains dans différentes températures de recuit se produisent à la même tension de grille. La figure 5(c) montre un I avant et arrière _DS du Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ NCFET à V _DS = − 0,05 V et − 0,5 V, et |V _GS –V _TH | = 1.0 V. Que ce soit pour le balayage avant ou arrière, le I _DS augmente avec la température de recuit, ce qui est cohérent avec la caractéristique de Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ appareil.

(un ) Caractéristiques de transfert mesurées du Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ NC Ge pFET recuits de 450 à 550°C. (b ) Point SS en fonction de I _DS pour le Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ dispositifs. (c ) Je _DS pour les transistors ferroélectriques NC avec différentes températures de recuit à une surcharge de grille de 1 V 

Nous étudions également les performances électriques du Ge NCFET avec la plus petite composition de Zr. Les caractéristiques de transfert du Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ Les NCFET recuits à différentes températures de recuit sont présentés sur la figure 6(a). Aucun phénomène d'hystérésis n'est observé. Par rapport à Hf_0.33 Zr_0.67 O₂ et Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ appareils, le V _TH le décalage induit par la variation de la température de recuit est moins prononcé dans Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ NCFET. Point SS contre I _DS les courbes de la Fig. 6(b) montrent que le Hf_0,67 Zr_0.33 O₂ Le transistor NC présente la chute soudaine de certains points de SS du transistor NC à V _DS = − 0,05 V. La figure 6(c) présente le I _DS de Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ Ge NCFET recuits à 450°C, 500°C et 550°C, à V _DS = − 0,05 V et − 0,5 V, et |V _GS –V _TH | = 1.0 V. De même, I _DS augmente à mesure que la température RTA augmente.

(un ) Mesuré I _DS -V _GS du Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ NC Ge pFET recuits à 450 °C, 500 °C et 550 °C. (b ) Point SS contre I_DS caractéristiques des appareils. (c ) Je _DS pour les transistors ferroélectriques NC avec différentes températures de recuit à une surcharge de grille de 1 V

La stabilité de l'effet NC induit par la couche ferroélectrique du Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ Le NCFET a été vérifié par plusieurs mesures de balayage en courant continu. Le I mesuré _DS -V _GS les courbes sur 100 cycles de balayage CC sont illustrées à la figure 7(a). On peut voir que les valeurs de V _GS correspondant à des SS raides sont cohérents. De plus, le sens des aiguilles d'une montre I-V les boucles sont maintenues à travers les multiples balayages CC. Les points SS raides sont reproductibles et stables grâce à plusieurs balayages CC, ce qui prouve en outre qu'ils sont induits par l'effet NC. La figure 7(b) présente le meilleur point SS et le meilleur courant d'entraînement sur le nombre de cycles de balayage. La figure 7(c) montre les caractéristiques d'hystérésis en fonction du nombre de cycles de balayage CC. I-V stable une fenêtre d'hystérésis de ~ 82 mV est visible.

(un ) Mesuré I _DS -V _GS courbes d'un Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ NC Ge pFET sur 100 cycles de balayage CC. (b ) Meilleur point SS et I _DS par rapport au nombre de cycles. (c ) Caractéristiques d'hystérésis en fonction du nombre de cycles de balayage DC

Nous résumons l'hystérésis et les caractéristiques de courant d'entraînement des Ge NCFET avec différentes compositions de Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ sur la figure 8. Comme indiqué sur la figure 8(a), les valeurs d'hystérésis sont de 70, 148 et 106  mV pour les appareils avec x = 0,33, 0,48 et 0,67, respectivement, à un V _DS de – 0,5 V. Au fur et à mesure que la composition augmente de 0,33 à 0,48, l'hystérésis du dispositif NC augmente de manière significative. Avec l'augmentation supplémentaire de la composition en Zr, l'hystérésis diminue rapidement. Le Je _DS des NCFET recuits à 450°C sont représentés sur la figure 8(b), à V _DS = − 0. 5 V et V _GS − V _TH = − 1. 0 V. Ouvert et solide représentent respectivement le balayage avant et arrière. L'appareil CN avec Hf_0,52 Zr_0.48 O₂ atteint le I le plus élevé _DS , mais son hystérésis est sérieuse. NCFET avec Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ peut obtenir d'excellentes performances avec des courbes sans hystérésis et un I élevé _DS . À mesure que la composition de Zr augmente, la capacité ferroélectrique C _fe (= 0.3849*P _r /(E _c *t _fe ) [24]) augmente avec l'augmentation de P _r , et pendant ce temps, la capacité MOS (C _MOS ) augmente également en raison de la permittivité croissante du film HZO. Le Je _DS et l'hystérésis sont déterminés par |C _fe | et C _MOS du transistor. Avec une composition en Zr passant de 0,33 à 0,48, l'augmentation de |C _fe | est supposé être plus lent que le C _MOS , conduisant à l'élargissement de l'hystérésis. Néanmoins, le plus grand C _MOS produit un I plus élevé _DS . Avec l'augmentation supplémentaire de la composition de Zr, l'augmentation de |C _fe | est plus rapide que C _MOS , ce qui pourrait fournir |C _fe | ≥ C _MOS , réduisant l'hystérésis du NCFET.

Graphiques statistiques de (a ) hystérésis et (b ) Je _DS de Ge NCFET avec Hf_1−x Zr_x O₂ (x = 0,33, 0,48 et 0,67)

Conclusions

Les impacts de la température de recuit et de la composition en Zr dans Hf_1−x Zr_x O₂ sur les performances électriques des NCFET Ge sont étudiées expérimentalement. Les stoechiométries et propriétés ferroélectriques de Hf_1−x Zr_x O₂ ont été confirmés par XPS et P-V mesures, respectivement. Les NCFET démontrent le point abrupt SS et l'amélioration I _DS par rapport au dispositif de commande, en raison de l'effet NC. Le V _TH et Je _DS du Hf_1−x Zr_x O₂ Les NCFET sont fortement affectés par la température de recuit. De multiples mesures de balayage DC montrent que la stabilité de l'effet NC induit par la couche ferroélectrique est obtenue en NCFET. Hf_0.67 Zr_0.33 O₂ Le NCFET peut plus facilement atteindre les caractéristiques sans hystérésis que les appareils avec une composition en Zr plus élevée.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

ALD :

Dépôt de couche atomique

BF₂ ⁺ :

Ion fluorure de bore

DC :

Courant continu

Voir :

Germanium

GeO_x :

Oxyde de Germanium

HF :

Acide fluorhydrique

HfO₂ :

Dioxyde d'hafnium

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

MOSFET :

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

NC :

Capacité négative

Non :

Nickel

SS :

Balançoire sous le seuil

TaN :

Nitrure de tantale

TDMAHf :

Tetrakis (diméthylamido) hafnium

TDMAZr :

Tétrakis (diméthylamido) zirconium