Transistor à effet de champ à capacité négative ZrOx avec comportement d'oscillation sous-seuil inférieur à 60

Contexte

Alors que les dispositifs semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) diminuent constamment, la technique des circuits intégrés (CI) est entrée dans l'ère de « plus que l'ère Moore ». La force motrice de l'industrie et de la technologie des circuits intégrés devient la réduction de la consommation d'énergie, au lieu de la miniaturisation des transistors [1, 2]. Cependant, la tyrannie de Boltzmann des MOSFET, plus de 60 mV/décade SS a restreint l'efficacité énergétique/de puissance [3]. Ces dernières années, de nombreux nouveaux dispositifs proposés ont la capacité d'atteindre une oscillation de seuil inférieure à 60 mV/décennie, y compris les MOSFET à ionisation par impact, les FET à tunnel et les NCFET [4,5,6,7]. En raison de la structure simple, du SS raide et du courant d'entraînement amélioré, les NCFET avec un film ferroélectrique (FE) ont été considérés comme une alternative intéressante parmi ces dispositifs émergents [8,9,10]. Les expériences rapportées sur les NCFET incluent principalement PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE) et HfZrO_x (HZO) [11,12,13,14,15,16,17]. Cependant, la température élevée du processus et le courant de fuite de grille indésirable le long des joints de grains des matériaux ferroélectriques polycristallins ont limité leur développement pour les nœuds technologiques de pointe [18,19,20,21,22,23,24,25 ,26]. Récemment, la ferroélectricité dans l'Al₂ amorphe O₃ et ZrO_x Les films activés par les dipôles de lacune d'oxygène modulés en tension ont été étudiés [27,28,29]. Par rapport à la contrepartie cristalline, les films amorphes de type ferroélectrique présentent des avantages significatifs en termes de température de processus et de courant de fuite réduits. Ainsi, il existe des recherches de masse sur les FeFET avec isolant de grille amorphe pour les applications de mémoire non volatile et de synapse analogique [27, 30, 31, 32, 33, 34]. Cependant, l'investigation systématique sur un transistor ZrO_x -basé sur le NCFET n'a pas été effectué.

Dans ce travail, Ge NCFET avec 5 nm ZrO_x couche diélectrique ferroélectrique et 5 nm Al₂ O₃ /HfO₂ des couches diélectriques ferroélectriques ont été proposées, respectivement. Nous avons observé expérimentalement une pente raide inférieure à 60 mV/décennie dans le ZrO_x (5 nm) NCFET, qui peut être attribué à l'effet NC de ZrO_x couche ferroélectrique. Et nous avons analysé la polarisation P en fonction de la tension appliquée V pour le Ge/ZrO_x /Condensateurs Tan. Le comportement de type ferroélectrique du Ge/ZrO_x Les condensateurs /TaN sont induits par les dipôles à vide d'oxygène induits par la tension. De plus, nous avons attribué l'amélioration de I _DS et la chute soudaine de I _G dans l'Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET et ZrO_x NCFET à effet NC. Nous avons également observé le phénomène NDR dans l'Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET et ZrO_x NCFET. De plus, nous avons analysé plus en détail le mécanisme physique de la diminution de l'effet NC induit par les dipôles interfaciaux dans l'Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET. Le ZrO_x Les NCFET avec une pente raide inférieure à 60 mV/décennie, une tension de drain améliorée et une faible tension de fonctionnement conviendront à la conception de NCFET à faible consommation d'énergie à l'ère « plus que Moore ».

Méthodes

Étapes clés du processus pour les NCFET avec ZrO_x et Al₂ O₃ /HfO₂ la fabrication est illustrée à la Fig. 1a. Différents isolants diélectriques de grille, y compris Al₂ O₃ /amorphe HfO₂ Films (5 nm) et ZrO_{x amorphe} Des films (4,2 nm) ont été développés sur des substrats de n-Ge (001) par dépôt de couche atomique (ALD) à 300 °C. TMA, TDMAHf, TDMAZr et H₂ Les vapeurs d'O ont été utilisées comme précurseurs d'Al, Hf, Zr et O, respectivement. Le temps d'impulsion et le temps de purge des précurseurs de Hf et Zr sont respectivement de 1,6 s et 8 s. Le temps d'impulsion et le temps de purge des précurseurs d'Al sont respectivement de 0,2 s et 8 s. Une électrode de grille supérieure en TaN a ensuite été déposée sur HfO₂ ou ZrO_x surfaces par pulvérisation cathodique réactive. Les régions source/drain (S/D) ont été définies par lithographie et gravure sèche. Après cela, le bore (B ⁺ ) et le nickel (Ni) s'est déposé dans les régions source/drain (S/D). Enfin, recuit thermique rapide (RTA) à 350 °C pendant 30 s dans un 10 ⁸ Pa d'azote ambiant a été réalisé. Les figures 1b, d montrent les schémas de l'Al₂ fabriqué O₃ /HfO₂ NCFET et ZrO_x NCFET. L'image au microscope électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) de la figure 1c représente le HfO₂ amorphe Film (5 nm) sur Ge (001) avec Al₂ O₃ couche interfaciale. L'image HRTEM de la Fig. 1e représente le ZrO_{x amorphe} Film (4,2 nm) sur Ge (001). La courbe C–V de ZrO_x Les NCFET et les spectres de photoélectrons X (XPS) de TaN/ZrO_x Les condensateurs (4,2 nm)/Ge ont été mesurés dans le fichier supplémentaire 1 :Fig. S1.

un Étapes clés du processus pour la fabrication de l'Al₂ O₃ /5 nm HfO₂ NCFET et 4,2 nm ZrO_x NCFET. b Schémas et c Images HRTEM du ZrO_{x fabriqué} NCFET. d Schémas et e Images HRTEM de l'Al₂ fabriqué O₃ /HfO₂ NCFET

Résultats et discussion

La figure 2a montre les courbes mesurées de polarisation P vs. tension appliquée V caractéristiques pour le Ge/ZrO_x Condensateurs /TaN à 3,3 kHz. La longueur du portail (L _G ) des condensateurs sont de 8 μm. On observe que la polarisation résiduelle P _r du Ge/ZrO_x Les condensateurs /TaN peuvent être améliorés avec une plage de balayage plus large de V . Le comportement de type ferroélectrique du ZrO_{x amorphe} film de la Fig. 2a est proposé pour provenir des dipôles de lacune d'oxygène commandés par la tension [35]. La figure 2b montre le P–V mesuré courbes pour le Ge/ZrO_x Condensateurs /TaN sous différentes fréquences de 200 à 10 kHz. Nous pouvons voir que le comportement de type ferroélectrique du ZrO amorphe_x film restent stables pour toutes les fréquences. Cependant, le P _r du ZrO_{x amorphe} le film est réduit avec l'augmentation des fréquences. Ce phénomène peut s'expliquer par la commutation incomplète des dipôles sous des fréquences de mesure élevées [36, 37]. Au fur et à mesure que les fréquences de mesure augmentent, le temps nécessaire au changement de direction du champ électrique dans le ZrO_{x amorphe} le film diminue. Ainsi, une partie de la commutation diploes d'absence d'oxygène est incomplète, fournissant une diminution de P _r .

P mesuré contre V caractéristiques du ZrO de 4,2 nm_x condensateurs avec a différentes plages de balayage de V et b différentes fréquences de mesure

La figure 3a montre le I mesuré _DS –V _GS courbes d'un ferroélectrique Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET au V _DS de − 0,05 V et − 0,5 V. Le L _G des appareils est de 3 μm. Les boucles d'hystérésis de 0,14 V (V _DS = − 0,05 V, I _ds = 1 nA/μm) et 0,08 V (V _DS = − 0,5 V, I _ds = 1 nA/μm) sont démontrés, respectivement. Les boucles d'hystérésis dans le sens horaire sont attribuées à la migration des lacunes d'oxygène et accompagnées de charges négatives. Les dipôles à lacunes d'oxygène s'accumulent (s'épuisent) dans le Ge/Al₂ O₃ interface sous V positif (négatif) _GS . Par conséquent, la tension de seuil (V _TH ) augmente (diminue) sous le balayage direct (inverse) des tensions de grille. Comme le montre la figure 3b, les caractéristiques de sortie de l'Al₂ O₃ /HfO₂ Le NCFET et le FET de contrôle sont comparés. Le courant de saturation de l'Al₂ O₃ /HfO₂ Le NCFET dépasse 26 μA/μm, avec une augmentation de 23 % par rapport à celui du FET témoin à |V _GS –V _TH | =|V _DS |= 0,8 V. L'augmentation du courant est induite par l'augmentation de l'intensité de charge d'inversion (Q _inv ) dans le champ électrique de polarisation inverse et l'amplification du potentiel de surface [38, 39]. En plus de l'amélioration actuelle, le NDR évident obtenu prouve l'effet NC du HfO₂ amorphe film. L'effet NDR est causé par la commutation incomplète des dipôles de lacunes d'oxygène en raison du couplage drain-canal en tant que V _DS augmente [40, 41]. La figure 3c compare la fuite de grille mesurée I _G –V _GS courbes pour le 5 nm Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET au V _DS de − 0,05 V et − 0,5 V. Les chutes soudaines de I _G seulement pendant le balayage inverse indiquent la diminution de la tension dans le HfO₂ amorphe film et l'amplification du potentiel de surface [42]. L'absence d'effet NC pendant le balayage vers l'avant est causée par la commutation partielle des dipôles de lacunes d'oxygène dans le HfO₂ amorphe cinéma [43]. La capacité différente de contenir des atomes d'oxygène entre Al₂ O₃ et HfO₂ couche conduit à une redistribution de l'oxygène et à des dipôles interfaciaux négatifs au niveau de l'Al₂ O₃ /HfO₂ interface [44, 45]. En raison de la présence de dipôles interfaciaux négatifs, il est difficile pour le HfO₂ amorphe film pour réaliser une commutation de polarisation complète (effet NC) dans le balayage avant (Fichier supplémentaire 1).

un Mesuré I _DS –V _GS courbes du 5 nm HfO₂ NCFET lorsque V _DS = − 0,5 V et V _DS = − 0,05 V. b Mesuré I _DS –V _DS courbes du HfO₂ NCFET et le MOSFET de contrôle. c Mesuré I _G –V _GS courbes du 5 nm HfO₂ NCFET lorsque V _DS = − 0,5 V et V _DS = − 0,05 V

La figure 4a montre les courbes de transfert mesurées d'un ferroélectrique ZrO_x NCFET au V _DS de − 0,05 V et − 0,5 V. Le L _G des deux appareils sont de 4 μm. Les boucles d'hystérésis dans le sens horaire de 0,24 V (V _DS = − 0,05 V, I _ds = 1 nA/μm) et 0,14 V (V _DS = − 0,5 V, I _DS = 1 nA/μm) sont démontrés, respectivement. Comme le montre la Fig. 4b, les caractéristiques de sortie du ZrO_x Le NCFET et le FET de contrôle sont comparés. Le courant de saturation du ZrO_x Le NCFET dépasse 30 μA/μm, avec une augmentation de 12 % par rapport à celui du FET de contrôle à |V _GS –V _TH | =|V _DS |= 1 V. L'amélioration du courant et le NDR plus évident indiquent l'effet NC amélioré du ZrO_{x amorphe} film (5 nm) contraste avec celui de 5 nm HfO₂ film. La figure 4c compare la fuite de grille mesurée I _G –V _GS courbes pour le 5 nm ZrO_x NCFET au V _DS de − 0,05 V et − 0,5 V. Par rapport à la soudaine I _G gouttes d'Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET uniquement pendant le balayage inverse sur la figure 3c, les chutes soudaines de I _G à la fois dans le balayage avant et arrière de la Fig. 4c prouvent également l'effet NC amélioré dans le ZrO amorphe_x filmer.

un Mesuré I _DS –V _GS courbes du 5 nm ZrO_x NCFET lorsque V _DS = − 0,5 V et V _DS = − 0,05 V. b Mesuré I _DS –V _DS courbes du ZrO_x NCFET et le MOSFET de contrôle démontrant le phénomène évident de NDR. c Mesuré I _G –V _GS courbes du 5 nm ZrO_x NCFET lorsque V _DS = − 0,5 V et V _DS = − 0,05 V

La figure 5a, b montre le point SS en fonction de I _DS pour l'Al₂ O₃ /HfO₂ et ZrO_x NCFET au V _DS de − 0,05 V et − 0,5 V. Comme le montre la Fig. 5b, une oscillation sous-seuil (SS) inférieure à 60 mV/décade peut être atteinte pendant le balayage avant ou arrière de V _GS au V _DS de− 0,05 V et− 0,5 V. Lorsque V _DS is− 0,05 V, un point avant SS de 45,1 mV/déc et un point inverse SS de 55,2 mV/déc ont été atteints. Quand V _DS is− 0,5 V, un point avant SS de 51,16 mV/déc et un point arrière SS de 46,52 mV/déc ont été atteints. En raison de la capacité différente d'effet de balayage pour l'Al₂ O₃ /HfO₂ et ZrO_x couche, la commutation partielle des dipôles est provoquée dans l'Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET. Par conséquent, l'effet NC le plus évident avec un SS inférieur à 60 mV/décade est obtenu en 5 nm ZrO_x NCFET.

Point SS en fonction de I _DS pour le a Al₂ O₃ /5 nm HfO₂ NCFET et b 5 nm ZrO_x NCFET

Conclusions

Nous rapportons la démonstration du ferroélectrique NC ZrO_x pFET avec un SS inférieur à 60 mV/décade, une faible tension de fonctionnement de 1 V et une hystérésis inférieure à 60 mV. L'impact du ZrO_{x amorphe} films sur le comportement ferroélectrique s'explique par les dipôles à lacunes d'oxygène. Le I amélioré _DS et le phénomène NDR sont également obtenus dans Al₂ O₃ /HfO₂ NCFET et ZrO_x NCFET par rapport au dispositif de contrôle. L'effet NC supprimé de l'Al₂ O₃ /HfO₂ Le NCFET peut être attribué à une commutation partielle des dipôles due aux dipôles interfiques au niveau de l'Al₂ O₃ /HfO₂ interface. Le ZrO_x Les NCFET avec une pente raide inférieure à 60 mV/décennie, une tension de drain améliorée et une faible tension de fonctionnement ouvrent une nouvelle voie pour la conception future de NCFET à faible consommation d'énergie.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

TaN :

Nitrure de tantale

ZrO_x :

Dioxyde de zirconium

TDMAZr :

Tétrakis (diméthylamido) zirconium

P _r :

Polarisation résiduelle

E _c :

Champ électrique coercitif

MOSFET :

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

Voir :

Germanium

ALD :

Dépôt de couche atomique

B ⁺ :

Ion bore

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

HRTEM :

Microscope électronique à transmission haute résolution

Non :

Nickel

RTA :

Recuit thermique remboursé

Je _DS :

Courant de vidange

V _GS :

Tension de grille

V _TH :

Tension de seuil

NCFET :

Transistor à effet de champ à capacité négative