FET à capacitif négative base ZrO_x : pente sous-seuil sous 60 mV/déc

Résumé

Nous rapportons des FET à capacitif négative (NC) base ZrO_x atteignant une pente sous-seuil (SS) de 45,06 mV/décade sous ±1 V V_GS, ouvrant de nouvelles perspectives pour les applications NCFET à tension scalable. Le comportement ferroélectrique des condensateurs Ge/ZrO_x/TaN provient des dipôles de lacunes d'oxygène. L'effet NC des films amorphes HfO₂ et ZrO_x est prouvé par : chute brutale fuite grille, résistance différentielle négative (NDR), augmentation I_DS et SS sous-60. NCFETs ZrO_x 5 nm : hystérésis horaire 0,24 V, SS < 60 mV/déc, augmentation 12 % I_DS vs dispositif témoin sans ZrO_x. L'effet NC supprimé des NCFETs Al₂O₃/HfO₂ vs ZrO_x est lié au commutation partielle des dipôles lacunes oxygène en balayage avant due aux dipôles interfaciaux négatifs à l'interface Al₂O₃/HfO₂.

Contexte

Avec la miniaturisation CMOS continue, l'industrie des circuits intégrés entre dans l'ère « more than Moore ». Le moteur devient la réduction de consommation énergétique, plus que la miniaturisation des transistors. Cependant, la tyrannie de Boltzmann des MOSFETs (SS > 60 mV/déc) limite l'efficacité énergétique. Plusieurs dispositifs novices promettent SS sous-60 : MOSFETs ionisation par impact, FETs tunnel, NCFETs. Les NCFETs avec film ferroélectrique (FE) sont attractifs : structure simple, SS raide, courant drain amélioré. Expériences rapportées : PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE), HfZrO_x (HZO). Mais température processus élevée et fuite grille indésirable aux joints de grains des ferroélectriques polycristallins limitent leur développement pour nœuds technologiques avancés.

Récemment, la ferroélectricité dans films amorphes Al₂O₃ et ZrO_x via dipôles lacunes oxygène modulés par tension a été étudiée. Avantages vs cristallins : température processus réduite, courant fuite réduit. Nombreuses recherches sur FeFETs avec isolant grille amorphe pour mémoire non-volatile et synapses analogiques. Cependant, l'investigation systématique de NCFETs mono-transistor base ZrO_x n'a pas été menée.

Ce travail propose des NCFETs Ge avec diélectrique ferroélectrique ZrO_x 5 nm et Al₂O₃/HfO₂ 5 nm. Observation expérimentale SS sous-60 mV/déc dans ZrO_x (5 nm) NCFET, attribuée à l'effet NC de la couche ferroélectrique ZrO_x. Analyse polarisation P vs tension V pour condensateurs Ge/ZrO_x/TaN : comportement ferroélectrique induit par dipôles lacunes oxygène pilotés par tension. Amélioration I_DS et chute brutale I_G dans Al₂O₃/HfO₂ et ZrO_x NCFETs attribuées à l'effet NC. Phénomène NDR observé dans les deux. Analyse mécanisme physique : dipôles interfaciaux causant diminution effet NC dans Al₂O₃/HfO₂ NCFET. NCFETs ZrO_x avec SS sous-60, tension drain améliorée, basse tension fonctionnement → adaptés pour conception NCFETs faible consommation en ère « more than Moore ».

Méthodes

Étapes clés fabrication NCFETs ZrO_x et Al₂O₃/HfO₂ (Fig. 1a). Différents diélectriques grille : Al₂O₃/HfO₂ amorphe (5 nm) et ZrO_x amorphe (4,2 nm) déposés sur substrats n-Ge (001) par dépôt par couches atomiques (ALD) à 300 °C. Précurseurs : TMA (Al), TDMAHf (Hf), TDMAZr (Zr), H₂O (O). Temps impulsion/purge : Hf/Zr 1,6 s / 8 s ; Al 0,2 s / 8 s. Électrode grille TaN par pulvérisation réactive. Régions source/drain (S/D) par lithographie et gravure sèche. Dépôt bore (B⁺) et nickel (Ni) en S/D. Recuit thermique rapide (RTA) 350 °C, 30 s, azote 10⁸ Pa. Schémas dispositifs (Fig. 1b, d). Images HRTEM : HfO₂ amorphe 5 nm sur Ge (001) avec couche interfaciale Al₂O₃ (Fig. 1c) ; ZrO_x amorphe 4,2 nm sur Ge (001) (Fig. 1e). Courbes C-V ZrO_x NCFETs et spectres XPS TaN/ZrO_x/Ge en Info Supplémentaire Fig. S1.

Résultats et discussion

Caractéristiques P-V condensateurs Ge/ZrO_x/TaN (Fig. 2) : Polarisation rémanente P_r augmentée avec plage balayage V plus large. Comportement ferroélectrique ZrO_x amorphe → dipôles lacunes oxygène pilotés par tension. Stable pour fréquences 200 Hz - 10 kHz. P_r diminue fréquence augmente → commutation dipôles incomplète à haute fréquence (temps changement champ électrique diminue).

NCFETs Al₂O₃/HfO₂ (Fig. 3) : Courbes I_DS-V_GS (V_DS = −0,05 V, −0,5 V) : boucles hystérésis horaire 0,14 V et 0,08 V. Hystérésis horaire → migration lacunes oxygène et charges négatives associées. Dipôles lacunes s'accumulent (s'épuisent) interface Ge/Al₂O₃ sous V_GS positif (négatif) → V_TH augmente (diminue) balayage avant (arrière). Courbes sortie (Fig. 3b) : courant saturation Al₂O₃/HfO₂ NCFET > 26 µA/µm, +23 % vs témoin à |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 0,8 V. Augmentation courant → intensité charge inversion accrue dans champ polarisation inverse et amplification potentiel surface. NDR évident → effet NC film HfO₂ amorphe. NDR : commutation incomplète dipôles lacunes par couplage drain-canal quand V_DS augmente. Fuite grille I_G-V_GS (Fig. 3c) : chutes brutales I_G seulement balayage arrière → tension diminuée film HfO₂ amorphe, amplification potentiel surface. Absence effet NC balayage avant → commutation partielle dipôles lacunes dans HfO₂ amorphe. Différence capacité piégeage oxygène Al₂O₃/HfO₂ → redistribution oxygène, dipôles interfaciaux négatifs interface Al₂O₃/HfO₂ → difficile commutation polarisation complète (effet NC) balayage avant.

NCFETs ZrO_x (Fig. 4) : Courbes transfert (V_DS = −0,05 V, −0,5 V) : hystérésis horaire 0,24 V et 0,14 V. Courbes sortie (Fig. 4b) : courant saturation ZrO_x NCFET > 30 µA/µm, +12 % vs témoin à |V_GS−V_TH| = |V_DS| = 1 V. Amélioration courant + NDR plus marqué → effet NC renforcé film ZrO_x amorphe (5 nm) vs HfO₂ (5 nm). Fuite grille (Fig. 4c) : chutes brutales I_G balayage avant ET arrière (vs seulement arrière pour Al₂O₃/HfO₂) → effet NC renforcé dans ZrO_x amorphe.

Pente sous-seuil ponctuelle (Fig. 5) : SS en fonction I_DS pour Al₂O₃/HfO₂ et ZrO_x NCFET à V_DS = −0,05 V, −0,5 V. ZrO_x : SS sous-60 mV/déc balayage avant/arrière aux deux V_DS. V_DS = −0,05 V : SS avant 45,1 mV/déc, arrière 55,2 mV/déc. V_DS = −0,5 V : SS avant 51,16 mV/déc, arrière 46,52 mV/déc. Différence capacité piégeage (scavenging) Al₂O₃/HfO₂ vs ZrO_x → commutation partielle dipôles dans Al₂O₃/HfO₂ NCFET. Effet NC plus marqué avec SS sous-60 dans 5 nm ZrO_x NCFET.

Conclusions

Démonstration FETs p-type à capacitif négative ferroélectrique ZrO_x avec SS sous-60 mV/déc, tension fonctionnement 1 V, hystérésis < 60 mV. Comportement ferroélectrique films ZrO_x amorphe expliqué par dipôles lacunes oxygène. Amélioration I_DS et NDR dans Al₂O₃/HfO₂ et ZrO_x NCFETs vs témoin. Effet NC supprimé Al₂O₃/HfO₂ NCFET → commutation partielle dipôles due dipôles interfaciaux interface Al₂O₃/HfO₂. NCFETs ZrO_x : SS raide sous-60, tension drain améliorée, basse tension fonctionnement → nouvelle voie pour NCFETs faible consommation future.