Optimisation des NCFETs germanium : influence du taux de Zr dans Hf1−xZrxO2 sur les performances

Contexte

Le transistor à effet de champ à capacitivité négative ferroélectrique (NCFET) avec un film ferroélectrique inséré dans la pile de grille est un candidat prometteur pour les applications à faible dissipation de puissance en raison de sa capacité à surmonter la limitation fondamentale du swing sous-seuil (SS) pour le transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) conventionnel [1]. Les phénomènes de capacitivité négative (NC) dans les NCFETs ont été largement étudiés dans différents matériaux de canal, incluant le silicium (Si) [2, 3], le germanium (Ge) [4], l'étain-germanium (GeSn) [5], les III–V [6] et les matériaux 2D [7]. De plus, les caractéristiques NC ont été démontrées dans les NCFETs avec divers ferroélectriques, tels que BiFeO₃ [8], PbZrTiO₃ (PZT) [9], PVDF [10] et Hf_1−xZr_xO₂ [11]. Comparé aux autres ferroélectriques, Hf_1−xZr_xO₂ a l'avantage d'être compatible avec l'intégration CMOS. Des études expérimentales ont montré que les performances électriques des NCFETs peuvent être optimisées en variant l'épaisseur et la surface de Hf_1−xZr_xO₂, ce qui affecte l'adaptation entre la capacitivité MOS (C_MOS) et la capacitivité ferroélectrique (C_FE) [12, 13]. On s'attend à ce que la composition en Zr dans Hf_1−xZr_xO₂ ait également un grand impact sur les performances des NCFETs, car elle détermine les propriétés ferroélectriques de Hf_1−xZr_xO₂. Cependant, il manque encore une étude détaillée sur les impacts de la composition en Zr sur les caractéristiques électriques des NCFETs.

Dans cet article, nous étudions de manière exhaustive les influences de la température de recuit et de la composition en Zr sur les performances des NCFETs Ge.

Méthodes

Les étapes clés du procédé pour la fabrication de NCFETs Ge à canal p avec les différentes compositions en Zr dans Hf_1−xZr_xO₂ sont montrées à la Fig. 1(a). Après le nettoyage pré-grille, les substrats n-Ge (001) ont été chargés dans la chambre de dépôt de couches atomiques (ALD). Un film mince Al₂O₃ (25 cycles) a été déposé, suivi par une passivation O₃. Ensuite, les films Hf_1-xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 et 0,67) ont été déposés dans la même chambre ALD en utilisant [(CH₃)₂N]₄Hf (TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr (TDMAZr) et H₂O comme précurseurs Hf, Zr et O, respectivement. Après cela, le métal de grille TaN a été déposé par pulvérisation réactive. Après le patterning et la gravure de la grille, des ions bore (B⁺) ont été implantés dans les régions source/drain (S/D) à une énergie de 20 keV et une dose de 1 × 10¹⁵ cm⁻². Les métaux S/D non auto-alignés ont été formés par procédé lift-off. Finalement, un recuit thermique rapide (RTA) a été effectué à diverses températures pour l'activation des dopants, la métallisation S/D et la cristallisation du film Hf_1−xZr_xO₂. Des pMOSFETs Ge de contrôle avec la pile Al₂O₃/HfO₂ ont également été fabriqués.

(a) Étapes clés du procédé pour la fabrication de NCFETs Ge avec les différentes compositions en Zr dans Hf_1−xZr_xO₂ ferroélectriques. (b) Schématique du transistor NC fabriqué. (c) Image TEM de la pile de grille du dispositif NC illustrant la couche H_0.52Zr_0.48O₂ de 7 nm et la couche Al₂O₃ de 2 nm

La figure 1(b) montre le schématique du NCFET fabriqué. L'image MEB à haute résolution (HRTEM) à la Fig. 1(c) montre la pile de grille sur le canal Ge du dispositif avec ferroélectrique Hf_0.52Zr_0.48O₂. Les épaisseurs des couches Al₂O₃ et Hf_0.52Zr_0.48O₂ sont de 2 nm et 7 nm, respectivement.

Pour confirmer les stœchiométries de Hf_1−xZr_xO₂, la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a été réalisée. La figure 2(a) et (b) montrent les spectres de niveau de cœur photoélectronique Hf4f et Zr3d, respectivement, pour les films Hf_0.67Zr_0.33O₂, Hf_0.52Zr_0.48O₂ et Hf_0.33Zr_0.67O₂. Les compositions matérielles ont été calculées sur la base du rapport des aires des pics et des facteurs de sensibilité correspondants. Les deux pics de Zr3d_5/2 et Zr3d_3/2 ont une séparation spin-orbite de 2,4 eV, ce qui est conforme aux Réf. [14, 15]. Avec l'augmentation de la composition en Zr dans Hf_1−xZr_xO₂, les pics Zr3d et Hf4f se décalent vers les basses énergies.

(a) Hf 4f et (b) Zr 3d spectres de niveau de cœur pour les échantillons Hf_1−xZr_xO₂ avec les différentes compositions en Zr

Les propriétés ferroélectriques des films Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 et 0,66) ont été caractérisées par la mesure des boucles d'hystérésis polarisation P vs tension de commande V. Les boucles P-V ont été enregistrées sur les dispositifs vierges. La figure 3 montre les courbes de P vs V pour les échantillons TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 nm)/TaN dans une série de tensions de commande. Avec l'augmentation de la température de post-recuit de 500 à 550 °C, les courbes P-V des Hf_1−xZr_xO₂ tendent à se saturer dans un état de sous-boucle. À mesure que la composition en Zr augmente, la polarisation rémanente du film s'améliore évidemment, et l'amincissement de la boucle d'hystérésis à biais nul est observé, ce qui peut être phénomenologiquement décrit comme des caractéristiques antiferroélectriques superposées [16, 17].

Courbes P-V mesurées des films Hf_1-xZrxO2 avec différentes compositions en Zr recuits à 500 et 550 ^oC. (a) et (b) sont le film Hf_0.67Zr_0.33O₂ recuit à 500 et 550 ^oC, respectivement. (c) et (d) sont le film Hf_0.52Zr_0.48O₂ recuit à 500 et 550 ^oC, respectivement. (e) et (f) sont le film Hf_0.33Zr_0.67O₂ recuit à 500 et 550 ^oC, respectivement. Avec l'augmentation de la température de post-recuit de 500 à 550 ^oC, les courbes P-V des Hf_1-xZr_xO₂ tendent à se saturer dans un état de sous-boucle. Une évolution du comportement ferroélectrique vers un comportement antiferroélectrique-like est observée avec l'augmentation de la composition en Zr

Résultats et discussion

La figure 4(a) montre les caractéristiques de transfert mesurées des NCFETs Ge avec ferroélectrique Hf_0.52Zr_0.48O₂ à différentes températures de recuit et dispositif de contrôle avec pile diélectrique Al₂O₃/HfO₂. Le dispositif de contrôle a été recuit à 500 °C. Tous les dispositifs ont une longueur de grille L_G de 2 µm. Les balayages direct et inverse sont indiqués par des symboles ouverts et pleins, respectivement. Les NCFETs ont un courant de conduction beaucoup plus élevé comparé au dispositif de contrôle. On voit qu'avec l'augmentation de la température de recuit de 450 à 550 °C, la tension de seuil V_TH des dispositifs NC se décale vers le sens positif de V_GS. Les NCFETs exhibent une petite hystérésis, qui devient négligeable avec l'augmentation de la température RTA. L'effet de piégeage conduit aussi à l'hystérésis, mais celui-ci produit une boucle I_DS-V_GS dans le sens anti-horaire, opposé aux résultats induits par la commutation ferroélectrique [18]. Les courbes SS ponctuel vs I_DS à la Fig. 4(b) montrent que le transistor NC exhibe une chute soudaine en certains points de SS, correspondant au changement brusque de I_DS induit par l'effet NC [19]. On observe que les NCFETs atteignent des caractéristiques SS améliorées comparées au dispositif de contrôle. Nous avons trouvé que les points de chute soudaine des dispositifs sont cohérents aux différentes températures de recuit. Les courbes I_DS-V_DS mesurées des NCFETs avec ferroélectrique Hf_0.52Zr_0.48O₂ recuites à différentes températures sont montrées à la Fig. 4(c). Les courbes I_DS-V_DS du transistor NC montrent le phénomène NDR évident, qui est une caractéristique typique des transistors NC [20,21,22,23]. La figure 4(d) est les graphiques du I_DS des NCFETs Ge avec la couche ferroélectrique Hf_0.52Zr_0.48O₂ 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 I_DS de 10⁻⁷ A/µm. I_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.

(a) Courbes I_DS-V_GS mesurées pour NCFETs avec Hf_0.52Zr_0.48O₂ ferroélectrique et dispositif de contrôle. (b) Courbes SS ponctuel vs I_DS montrant que les NCFETs ont un SS plus raide comparé au MOSFET de contrôle. (c) Courbes I_DS-V_DS pour les NCFETs démontrant les phénomènes NDR typiques. (d) Comparaison du I_DS pour les NCFETs recuits à diverses températures à un survoltage de grille de 1 V

En plus du transistor ferroélectrique Hf_0.52Zr_0.48O₂, nous étudions également les caractéristiques électriques des transistors NC Ge avec le ferroélectrique Hf_0.33Zr_0.67O₂. La figure 5(a) présente les caractéristiques I_DS-V_GS des dispositifs avec Hf_0.33Zr_0.67O₂ aux différentes températures de recuit à V_DS = − 0,05 V et − 0,5 V. Comparé aux transistors NC Hf_0.52Zr_0.48O₂, une hystérésis encore plus petite est obtenue. Similairement aux transistors NC Hf_0.52Zr_0.48O₂, à mesure que la température de recuit augmente de 450 à 550 °C, V_TH du dispositif augmente de − 0,63 V à 0,51 V dans le balayage direct à V_DS = − 0,05 V. Le SS ponctuel en fonction des caractéristiques I_DS pour les NCFETs ferroélectriques Hf_0.33Zr_0.67O₂ sont représentés à la Fig. 5(b). En outre, les dispositifs avec températures de recuit 450 °C et 500 °C obtiennent les chutes soudaines de SS plus évidentes en comparaison avec le transistor recuit à 550 °C. Les points de chute soudaine aux différentes températures de recuit se produisent à la même tension de grille. La figure 5(c) exhibe les I_DS direct et inverse des NCFETs Hf_0.33Zr_0.67O₂ à V_DS = − 0,05 V et − 0,5 V, et |V_GS–V_TH| = 1,0 V. Que ce soit pour le balayage direct ou inverse, le I_DS augmente avec la température de recuit, ce qui est cohérent avec la caractéristique du dispositif Hf_0.52Zr_0.48O₂.

(a) Caractéristiques de transfert mesurées des NCFETs Ge p à Hf_0.33Zr_0.67O₂ recuits de 450 à 550 °C. (b) SS ponctuel en fonction de I_DS pour les dispositifs Hf_0.33Zr_0.67O₂. (c) I_DS pour les transistors NC ferroélectriques avec différentes températures de recuit à un survoltage de grille de 1 V

Nous étudions également les performances électriques du NCFET Ge avec la plus petite composition en Zr. Les caractéristiques de transfert des NCFETs Hf_0.67Zr_0.33O₂ recuits à différentes températures de recuit sont présentées à la Fig. 6(a). Aucun phénomène d'hystérésis n'est observé. Comparé aux dispositifs Hf_0.33Zr_0.67O₂ et Hf_0.52Zr_0.48O₂, le décalage de V_TH induit par la variation de la température de recuit est moins prononcé dans les NCFETs Hf_0.67Zr_0.33O₂. Les courbes SS ponctuel vs I_DS à la Fig. 6(b) montrent que le transistor NC Hf_0.67Zr_0.33O₂ exhibe la chute soudaine en certains points de SS du transistor NC à V_DS = − 0,05 V. La figure 6(c) présente le I_DS des NCFETs Ge Hf_0.67Zr_0.33O₂ 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 s'améliore à mesure que la température RTA augmente.

(a) I_DS-V_GS mesuré des NCFETs Ge p Hf_0.67Zr_0.33O₂ recuits à 450 °C, 500 °C et 550 °C. (b) Caractéristiques SS ponctuel vs I_DS des dispositifs. (c) I_DS pour les transistors NC ferroélectriques avec différentes températures de recuit à un survoltage de grille de 1 V

La stabilité de l'effet NC induit par la couche ferroélectrique du NCFET Hf_0.52Zr_0.48O₂ a été vérifiée par des mesures de balayage DC multiples. Les courbes I_DS-V_GS mesurées sur 100 cycles de balayage DC sont montrées à la Fig. 7(a). On peut voir que les valeurs de V_GS correspondant aux SS raides sont cohérentes. De plus, les boucles I-V dans le sens horaire sont maintenues à travers les multiples balayages DC. Les points de SS raides sont reproductibles et stables à travers les multiples balayages DC, ce qui prouve davantage qu'ils sont induits par l'effet NC. La figure 7(b) présente le meilleur SS ponctuel et le courant de conduction en fonction du nombre de cycles de balayage. La figure 7(c) montre les caractéristiques d'hystérésis en fonction du nombre de cycles de balayage DC. Une fenêtre d'hystérésis I-V stable de ~ 82 mV est observée.

(a) Courbes I_DS-V_GS mesurées d'un NCFET Ge p Hf_0.52Zr_0.48O₂ sur 100 cycles de balayage DC. (b) Meilleur SS ponctuel et I_DS vs numéro de cycle. (c) Caractéristiques d'hystérésis en fonction du nombre de cycles de balayage DC

Nous résumons les caractéristiques d'hystérésis et de courant de conduction des NCFETs Ge avec différentes compositions en Zr dans Hf_1−xZr_xO₂ à la Fig. 8. Comme montré à la Fig. 8(a), les valeurs d'hystérésis sont de 70, 148 et 106 mV pour les dispositifs avec x = 0,33, 0,48 et 0,67, respectivement, à un V_DS de – 0,5 V. À mesure que la composition augmente de 0,33 à 0,48, l'hystérésis du dispositif NC augmente significativement. Avec l'augmentation supplémentaire de la composition en Zr, l'hystérésis diminue rapidement. Le I_DS des NCFETs recuits à 450 °C est tracé à la Fig. 8(b), à V_DS = − 0,5 V et V_GS − V_TH = − 1,0 V. Ouvert et plein représentent le balayage direct et inverse, respectivement. Le dispositif NC avec Hf_0.52Zr_0.48O₂ atteint le I_DS le plus élevé, mais son hystérésis est sérieuse. Le NCFET avec Hf_0.67Zr_0.33O₂ peut obtenir d'excellentes performances avec des courbes sans hystérésis et un I_DS élevé. À mesure que la composition en Zr augmente, la capacitivité ferroélectrique C_fe (= 0,3849*P_r/(E_c*t_fe) [24]) augmente avec l'augmentation de P_r, et simultanément, la capacitivité MOS (C_MOS) augmente également en raison de la permittivité croissante du film HZO. Le I_DS et l'hystérésis sont déterminés par |C_fe| et C_MOS du transistor. Avec l'augmentation de la composition en Zr de 0,33 à 0,48, l'augmentation de |C_fe| est supposée être plus lente que celle de C_MOS, conduisant à l'élargissement de l'hystérésis. Néanmoins, le plus grand C_MOS produit un I_DS plus élevé. Avec l'augmentation supplémentaire de la composition en 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) I_DS du NCFET Ge avec Hf_1−xZr_xO₂ (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−xZr_xO₂ sur les performances électriques des NCFETs Ge sont étudiés expérimentalement. Les stœchiométries et les propriétés ferroélectriques de Hf_1−xZr_xO₂ ont été confirmées par XPS et mesures P-V, respectivement. Les NCFETs démontrent un SS ponctuel raide et un I_DS amélioré comparé au dispositif de contrôle, grâce à l'effet NC. Le V_TH et le I_DS des NCFETs Hf_1−xZr_xO₂ sont grandement affectés par la température de recuit. Les mesures de balayage DC multiples montrent que la stabilité de l'effet NC induit par la couche ferroélectrique est atteinte dans le NCFET. Le NCFET Hf_0.67Zr_0.33O₂ peut plus facilement atteindre les caractéristiques sans hystérésis que les dispositifs avec une composition en Zr plus élevée.