Optimasi NCFET Germanium: Pengaruh Tingkat Zr dalam Hf₁₋ₓZrₓO₂ terhadap Performa
Abstrak
Transistor efekt medan kapasitansi negatif (NCFET) Germanium (Ge) dengan berbagai komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2 (x = 0,33, 0,48, dan 0,67) diproduksi dan dikarakterisasi. Untuk setiap komposisi Zr, NCFET menunjukkan penurunan tiba-tiba di beberapa titik ambang turun (SS), yang diinduksikan oleh efek kapasitansi negatif (NC). Arus drive IDS meningkat dengan peningkatan suhu anoda, yang seharusnya disebabkan oleh penurunan resistensi sumber/drain dan peningkatan mobilitas pembawa. Titik SS yang tajam dapat diulang dan stabil melalui banyak pengukuran sweeping DC, membuktikan bahwa mereka diinduksinya oleh efek NC. Nilai tegangan gate VGS yang sesuai dengan titik SS tajam konsisten dan loop IDS-VGS berarah searah jaraga dipertahankan melalui banyak sweeping DC. Pada suhu anoda tetap, perangkat NC dengan Hf0.52Zr0.48O2 mencapai IDS yang lebih tinggi tetapi histeresis yang lebih besar dibandingkan komposisi lain. NCFET dengan Hf0.67Zr0.33O2 dapat mendapatkan performa unggul dengan kurva tanpa histeresis dan IDS tinggi.
Latar Belakang
Transistor efekt medan kapasitansi negatif (NCFET) ferolistrik dengan film ferolistrik yang dimasukkan ke dalam tumpukan gate adalah calon yang menjanjikan untuk aplikasi disipasi daya rendah karena kemampuannya untuk mengatasi batasan dasar dalam ambang turun (SS) untuk transistor efekt medan metal-oksida-semikonduktor (MOSFET) konvensional [1]. Fenomena kapasitansi negatif (NC) dalam NCFET telah banyak dipelajari dalam berbagai bahan saluran, termasuk silikon (Si) [2, 3], germanium (Ge) [4], germanium-tim (GeSn) [5], III–V [6], dan bahan 2D [7]. Juga, karakteristik NC telah ditunjukkan dalam NCFET dengan berbagai ferolistrik, seperti BiFeO3 [8], PbZrTiO3 (PZT) [9], PVDF [10], dan Hf1−xZrxO2 [11]. Dibandingkan ferolistrik lainnya, Hf1−xZrxO2 memiliki keuntungan kompatibel dengan integrasi CMOS. Studi eksperimental telah menunjukkan bahwa performa listrik NCFET dapat dioptimalkan dengan mengubah ketebalan dan luas Hf1−xZrxO2, yang mempengaruhi kecocokan antara kapasitansi MOS (CMOS) dan kapasitansi ferolistrik (CFE) [12, 13]. Diperkirakan bahwa komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2 juga memiliki dampak besar pada performa NCFET, karena menentukan properti ferolistrik Hf1−xZrxO2. Namun, masih kurang studi terperinci tentang dampak komposisi Zr terhadap karakteristik listrik NCFET.
Dalam artikel ini, kami secara komprehensif mempelajari pengaruh suhu anoda dan komposisi Zr terhadap performa Ge NCFET.
Metode
Langkah proses kunci untuk memproduksi Ge p-channel NCFET dengan berbagai komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2 ditunjukkan dalam Gambar 1(a). Setelah pembersihan sebelum gate, substrat n-Ge (001) dimuat ke dalam ruang deposisi lapisan atom (ALD). Lapisan Al2O3 tipis (25 siklus) ditetapkan, diikuti oleh passivasi O3. Kemudian, film Hf1-xZrxO2 (x = 0,33, 0,48 dan 0,67) ditetapkan dalam ruang ALD yang sama menggunakan [(CH3)2N]4Hf (TDMAHf), [(CH3)2N]4Zr (TDMAZr) dan H2O sebagai prekursor Hf, Zr, dan O, masing-masing. Setelah itu, logam gate TaN ditetapkan menggunakan sputtering reaktif. Setelah patterning dan etching gate, ion bor (B+) diimplan ke wilayah sumber/drain (S/D) pada energi 20 keV dan dosis 1 × 1015 cm−2. Logam S/D non-terselaraskan dibentuk oleh proses pelepasan. Akhirnya, anoda termal cepat (RTA) dilakukan pada berbagai suhu untuk aktivasi dopan, metalurgi S/D, dan kristalisasi film Hf1−xZrxO2. Ge kontrol pMOSFET dengan tumpukan Al2O3/HfO2 juga diproduksi.
(a) Langkah proses kunci untuk pembuatan Ge NCFET dengan berbagai komposisi Zr dalam ferolistrik Hf1−xZrxO2. (b) Skematik dari transistor NC yang diproduksi. (c) Citra TEM tumpukan gate dari perangkat NC yang menggambarkan lapisan H0.52Zr0.48O2 7 nm dan lapisan Al2O3 2 nm
Gambar 1(b) menunjukkan skematik NCFET yang diproduksi. Citra TEM resolusi tinggi (HRTEM) dalam Gambar 1(c) menunjukkan tumpukan gate pada saluran Ge dari perangkat dengan ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2. Ketebalan lapisan Al2O3 dan Hf0.52Zr0.48O2 masing-masing 2 nm dan 7 nm.
Untuk mengonfirmasi stoikiometri Hf1−xZrxO2, pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan. Gambar 2(a) dan (b) menunjukkan spektrum level inti fotoelektron Hf4f dan Zr3d, masing-masing, untuk film Hf0.67Zr0.33O2, Hf0.52Zr0.48O2, dan Hf0.33Zr0.67O2. Komposisi materi dihitung berdasarkan rasio area puncak dan faktor sensitivitas yang sesuai. Dua puncak Zr3d5/2 dan Zr3d3/2 memiliki pembelahan spin-orbit 2,4 eV, yang konsisten dengan Refs. [14, 15]. Dengan peningkatan komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2, puncak Zr3d dan Hf4f bergeser ke arah energi lebih rendah.
(a) Hf 4f dan (b) Zr 3d spektrum level inti untuk sampel Hf1−xZrxO2 dengan berbagai komposisi Zr
Properti ferolistrik film Hf1−xZrxO2 (x = 0,33, 0,48, dan 0,66) dikarakterisasi dengan pengukuran loop histeresis polarisasi P versus tegangan drive V. Loop P-V direkam pada perangkat asli. Gambar 3 menunjukkan kurva P vs. V untuk sampel TaN/Hf1−xZrxO2(10 nm)/TaN dalam serangkaian tegangan drive. Dengan peningkatan suhu anoda pasca dari 500 hingga 550 °C, kurva P-V dari film Hf1−xZrxO2 cenderung terkuras dalam kondisi sub-loop. Seiring peningkatan komposisi Zr, polarisasi sisa film meningkat secara signifikan, dan penipisan loop histeresis pada bias nol diamati, yang dapat secara fenomenologis paling baik digambarkan sebagai karakteristik antiferoelektrik-like yang ditumpuk [16, 17].
Kurva P-V yang diukur dari film Hf1-xZrxO2 dengan berbagai komposisi Zr yang dianoda pada 500 dan 550 oC. (a) dan (b) adalah film Hf0.67Zr0.33O2 yang dianoda pada 500 dan 550 oC, masing-masing. (c) dan (d) adalah film Hf0.52Zr0.48O2 yang dianoda pada 500 dan 550 oC, masing-masing. (e) dan (f) adalah film Hf0.33Zr0.67O2 yang dianoda pada 500 dan 550 oC, masing-masing. Dengan peningkatan suhu anoda pasca dari 500 hingga 550 oC, kurva P-V dari Hf1-xZrxO2 cenderung terkuras dalam kondisi sub-loop. Evolusi dari feroelektrik ke perilaku antiferoelektrik-like diamati dengan peningkatan komposisi Zr
Hasil dan Pembahasan
Gambar 4(a) menunjukkan karakteristik transfer yang diukur dari Ge NCFET dengan ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2 dengan berbagai suhu anoda dan perangkat kontrol dengan tumpukan dielektrik Al2O3/HfO2. Perangkat kontrol dianoda pada 500 °C. Semua perangkat memiliki panjang gate LG 2 μm. Sweeping maju dan terbalik ditunjukkan oleh simbol terbuka dan padat, masing-masing. NCFET memiliki arus drive yang jauh lebih tinggi dibandingkan perangkat kontrol. Terlihat bahwa, dengan peningkatan suhu anoda dari 450 hingga 550 °C, tegangan ambang VTH dari perangkat NC bergeser ke arah VGS positif. NCFET menunjukkan histeresis kecil, yang menjadi tidak signifikan dengan peningkatan suhu RTA. Efek penangkap juga menyebabkan histeresis, tetapi itu menghasilkan loop IDS-VGS berlawanan arah jaraga, berlawanan dengan hasil yang diinduksikan oleh switching ferolistrik [18]. Kurva titik SS vs. IDS dalam Gambar 4(b) menunjukkan bahwa transistor NC menunjukkan penurunan tiba-tiba di beberapa titik SS, sesuai dengan perubahan tiba-tiba IDS yang diinduksinya oleh efek NC [19]. Terlihat bahwa NCFET mencapai karakteristik SS yang ditingkatkan dibandingkan perangkat kontrol. Kami menemukan bahwa titik penurunan tiba-tiba perangkat konsisten pada berbagai suhu anoda. Kurva IDS-VDS yang diukur dari NCFET dengan ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2 yang dianoda pada suhu yang berbeda ditunjukkan dalam Gambar 4(c). Kurva IDS-VDS dari transistor NC menunjukkan fenomena NDR yang jelas, yang merupakan karakteristik khas transistor NC [20,21,22,23]. Gambar 4(d) adalah plot IDS dari Ge NCFET dengan lapisan ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2 yang dianoda pada 450, 500, dan 550 °C, masing-masing, pada VDS = − 0,05 V dan − 0,5 V, dan |VGS − VTH| = 1,0 V. Di sini, VTH didefinisikan sebagai VGS pada IDS 10−7 A/μm. IDS meningkat dengan peningkatan suhu RTA, yang disebabkan oleh penurunan resistensi sumber/drain dan peningkatan mobilitas pembawa pada suhu anoda yang lebih tinggi.
(a) Kurva IDS-VGS yang diukur untuk NCFET dengan ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2 dan perangkat kontrol. (b) Kurva titik SS vs. IDS yang menunjukkan bahwa NCFET memiliki SS yang lebih tajam dibandingkan MOSFET kontrol. (c) Kurva IDS-VDS untuk NCFET yang menunjukkan fenomena NDR khas. (d) Perbandingan IDS untuk NCFET yang dianoda pada berbagai suhu pada overdrive gate 1 V
Selain transistor ferolistrik Hf0.52Zr0.48O2, kami juga menyelidiki karakteristik listrik transistor NC Ge dengan ferolistrik Hf0.33Zr0.67O2. Gambar 5(a) menyajikan karakteristik IDS-VGS dari perangkat dengan Hf0.33Zr0.67O2 dengan berbagai suhu anoda pada VDS = − 0,05 V dan − 0,5 V. Dibandingkan dengan transistor NC Hf0.52Zr0.48O2, histeresis yang lebih kecil didapatkan. Seperti transistor NC Hf0.52Zr0.48O2, seiring peningkatan suhu anoda dari 450 hingga 550 °C, VTH dari perangkat meningkat dari − 0,63 V hingga 0,51 V dalam sweeping maju pada VDS = − 0,05 V. Karakteristik titik SS sebagai fungsi IDS untuk NCFET ferolistrik Hf0.33Zr0.67O2 digambarkan dalam Gambar 5(b). Selain itu, perangkat dengan suhu anoda 450 °C dan 500 °C mendapatkan penurunan tiba-tiba SS yang lebih jelas dibandingkan dengan transistor yang dianoda 550 °C. Titik penurunan tiba-tiba pada berbagai suhu anoda terjadi pada tegangan gate yang sama. Gambar 5(c) menunjukkan forward dan reverse IDS dari NCFET Hf0.33Zr0.67O2 pada VDS = − 0,05 V dan − 0,5 V, dan |VGS–VTH| = 1,0 V. Baik untuk sweeping maju atau terbalik, IDS meningkat dengan suhu anoda, yang konsisten dengan karakteristik perangkat Hf0.52Zr0.48O2.
(a) Karakteristik transfer yang diukur dari Ge pFET NC Hf0.33Zr0.67O2 yang dianoda dari 450 hingga 550 °C. (b) Titik SS sebagai fungsi IDS untuk perangkat Hf0.33Zr0.67O2. (c) IDS untuk transistor NC ferolistrik dengan berbagai suhu anoda pada overdrive gate 1 V
Kami juga menyelidiki performa listrik Ge NCFET dengan komposisi Zr yang lebih kecil. Karakteristik transfer dari NCFET Hf0.67Zr0.33O2 yang dianoda pada berbagai suhu anoda disajikan dalam Gambar 6(a). Tidak ada fenomena histeresis yang diamati. Dibandingkan dengan perangkat Hf0.33Zr0.67O2 dan Hf0.52Zr0.48O2, perpindahan VTH yang diinduksinya oleh perubahan suhu anoda kurang terlihat pada NCFET Hf0.67Zr0.33O2. Kurva titik SS vs. IDS dalam Gambar 6(b) menunjukkan bahwa transistor NC Hf0.67Zr0.33O2 menunjukkan penurunan tiba-tiba di beberapa titik SS dari transistor NC pada VDS = − 0,05 V. Gambar 6(c) menyajikan IDS dari Ge NCFET Hf0.67Zr0.33O2 yang dianoda pada 450 °C, 500 °C, dan 550 °C, pada VDS = − 0,05 V dan − 0,5 V, dan |VGS–VTH| = 1,0 V. Seperti biasa, IDS meningkat seiring peningkatan suhu RTA.
(a) IDS-VGS yang diukur dari Ge pFET NC Hf0.67Zr0.33O2 yang dianoda pada 450 °C, 500 °C, dan 550 °C. (b) Karakteristik titik SS vs. IDS dari perangkat. (c) IDS untuk transistor NC ferolistrik dengan berbagai suhu anoda pada overdrive gate 1 V
Stabilitas efek NC yang diinduksikan oleh lapisan ferolistrik dari NCFET Hf0.52Zr0.48O2 diverifikasi melalui pengukuran sweeping DC berulang. Kurva IDS-VGS yang diukur selama 100 siklus sweeping DC ditunjukkan dalam Gambar 7(a). Terlihat bahwa nilai VGS yang sesuai dengan titik SS tajam konsisten. Selain itu, loop I-V berarah searah jaraga dipertahankan melalui banyak sweeping DC. Titik SS tajam dapat diulang dan stabil melalui banyak sweeping DC, yang lebih membuktikan bahwa mereka diinduksinya oleh efek NC. Gambar 7(b) menyajikan titik SS terbaik dan arus drive di seluruh jumlah siklus sweeping. Gambar 7(c) menunjukkan karakteristik histeresis sebagai fungsi jumlah siklus sweeping DC. Jendela histeresis I-V stabil sekitar 82 mV terlihat.
(a) Kurva IDS-VGS yang diukur dari Ge pFET NC Hf0.52Zr0.48O2 selama 100 siklus sweeping DC. (b) Titik SS terbaik dan IDS vs. jumlah siklus. (c) Karakteristik histeresis sebagai fungsi jumlah siklus sweeping DC
Kami merangkum karakteristik histeresis dan arus drive dari Ge NCFET dengan berbagai komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2 dalam Gambar 8. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8(a), nilai histeresis adalah 70, 148, dan 106 mV untuk perangkat dengan x = 0,33, 0,48, dan 0,67, masing-masing, pada VDS – 0,5 V. Seiring komposisi meningkat dari 0,33 hingga 0,48, histeresis perangkat NC meningkat secara signifikan. Dengan peningkatan komposisi Zr lebih lanjut, histeresis menurun secara cepat. IDS dari NCFET yang dianoda pada 450 °C ditampilkan dalam Gambar 8(b), pada VDS = − 0.5 V dan VGS − VTH = − 1.0 V. Terbuka dan padat mewakili sweeping maju dan terbalik, masing-masing. Perangkat NC dengan Hf0.52Zr0.48O2 mencapai IDS tertinggi, tetapi histeresisnya serius. NCFET dengan Hf0.67Zr0.33O2 dapat mendapatkan performa unggul dengan kurva tanpa histeresis dan IDS tinggi. Seiring peningkatan komposisi Zr, kapasitansi ferolistrik Cfe (= 0,3849*Pr/(Ec*tfe) [24]) meningkat dengan peningkatan Pr, dan pada saat yang sama, kapasitansi MOS (CMOS) juga meningkat karena pertumbuhan permisivitas film HZO. IDS dan histeresis ditentukan oleh |Cfe| dan CMOS dari transistor. Dengan komposisi Zr meningkat dari 0,33 hingga 0,48, peningkatan |Cfe| diduga lebih lambat daripada CMOS, yang menyebabkan lebar histeresis. Namun, CMOS yang lebih besar menghasilkan IDS yang lebih tinggi. Dengan peningkatan komposisi Zr lebih lanjut, peningkatan |Cfe| lebih cepat daripada CMOS, yang mungkin memberikan |Cfe| ≥ CMOS, mengurangi histeresis NCFET.
Plot statistik (a) histeresis dan (b) IDS dari Ge NCFET dengan Hf1−xZrxO2 (x = 0,33, 0,48, dan 0,67)
Kesimpulan
Dampak suhu anoda dan komposisi Zr dalam Hf1−xZrxO2 terhadap performa listrik Ge NCFET secara eksperimental telah dipelajari. Stoikiometri dan properti ferolistrik Hf1−xZrxO2 dikonfirmasi oleh XPS dan pengukuran P-V, masing-masing. NCFET menunjukkan titik SS yang tajam dan IDS yang ditingkatkan dibandingkan perangkat kontrol, karena efek NC. VTH dan IDS dari NCFET Hf1−xZrxO2 sangat dipengaruhi oleh suhu anoda. Banyak pengukuran sweeping DC menunjukkan bahwa stabilitas efek NC yang diinduksikan oleh lapisan ferolistrik tercapai dalam NCFET. NCFET Hf0.67Zr0.33O2 dapat lebih mudah mencapai karakteristik tanpa histeresis dibandingkan perangkat dengan komposisi Zr yang lebih tinggi.
