Analisis Komparatif FET Kapasitansi Negatif Melintasi Kapasitansi MOS

Abstrak

Kami mendemonstrasikan efek kapasitansi negatif (NC) dari FET berbasis HfZrOₓ dalam eksperimen. Perbaikan I_DS, SS, dan G_m dari NCFET telah dicapai dibandingkan dengan kontrol MOSFET MOS. Dalam eksperimen ini, transistor MIS bawah dengan waktu passivasi berbeda ekuivalen dengan perangkat NC dengan kapasitansi MOS yang berbeda. Sementara itu, properti listrik NCFET dengan passivasi 40 menit superior dibandingkan dengan NCFET dengan passivasi 60 menit karena kecocokan yang baik antara C_FE dan C_MOS. Meskipun SS sub-60 mV/dekade tidak tercapai, karakteristik transfer non-histeresis yang bermanfaat untuk aplikasi logika diperoleh.

Pendahuluan

Seiring dengan skala down transistor, tingkat integrasi rangkaian terintegrasi (IC) terus bertumbuh. Masalah disipasi daya yang menyertainya harus segera diselesaikan. Untuk mengatasi masalah ini, tegangan operasi transistor harus dikurangi [1]. Subthreshold swing (SS) MOSFET tidak dapat di bawah 60 mV/dekade pada suhu ruangan, yang membatasi pengurangan tegangan ambang V_TH dan tegangan pasokan V_DD [2]. Banyak upaya telah diusung dalam penelitian dan pengembangan perangkat dengan mekanisme transportasi dan switching baru untuk mengatasi batas Boltzmann, termasuk negative capacitance field-effect transistor (NCFET) [3, 4], resistive gate FET [5], nano-electro mechanical FET (NEMFET) [6, 7], impact ionization metal-oxide-semiconductor (I-MOS) [8, 9], dan tunneling FET [10, 11]. Di antaranya, NCFET telah menarik banyak perhatian karena dapat mencapai SS yang curam tanpa kehilangan arus drive [12,13,14,15]. Doped HfO₂ (misalnya, HfZrOₓ (HZO) dan HfSiOₓ) telah banyak digunakan dalam NCFETs [4, 16, 17]; ia kompatibel dengan proses CMOS [18]. Studi teoretis telah menunjukkan bahwa histeresis yang tidak diinginkan terjadi karena kecocokan yang tidak sesuai antara kapasitansi feromagnetik C_FE dan kapasitansi MOS dasar C_MOS dalam NCFET [19]. Namun, efek kecocokan antara C_FE dan C_MOS pada karakteristik listrik NCFET masih menjadi perhatian dalam eksperimen.

Dalam karya ini, karakteristik listrik NC Ge FET dengan berbagai kapasitansi MOS dikaji berdasarkan kecocokan yang berbeda antara C_FE dan C_MOS. Meskipun SS kurang dari 60 mV/dekade tidak muncul, karakteristik transfer tanpa histeresis dan properti listrik yang lebih baik diperoleh. Puncak yang jelas dari C_FE versus V_FE kurva mendemonstrasikan efek NC dari NCFET berbasis HZO. Kecocokan yang lebih baik antara C_FE dan C_MOS berkontribusi pada SS yang lebih curam dan arus on yang lebih tinggi, yang bermanfaat untuk aplikasi logika.

Metode

Proses pembuatan kunci Ge NCFET ditunjukkan dalam Gambar 1a. Wafer n-Ge(001) empat inci dengan resistivitas 0,088–0,14 Ω·cm digunakan sebagai substrat awal. Setelah pembersihan pra-gerbang, wafer Ge dimuat ke dalam ruang vakum ultra-tinggi untuk passivasi permukaan menggunakan Si₂H₆. Dua durasi passivasi 40 dan 60 menit digunakan. Kemudian, tumpukan TaN/HZO/TaN/HfO₂ ditetapkan. Tebalan lapisan dielektrik HfO₂ dan lapisan FE HZO adalah 4,35 dan 4,5 nm, masing-masing. Setelah patern dan penggerusan gerbang, wilayah sumber/saluran (S/D) ditanam menggunakan ion bor (B⁺) pada energi 30 keV dan dosis 1 × 10¹⁵ cm⁻². Logam S/D Nickel dibentuk menggunakan proses lift-off. Akhirnya, pemanasan cepat termal pada 450 °C selama 30 detik dilakukan. Kontrol MOSFET dengan tumpukan TaN/HfO₂ juga dibuat. Gambar 1b dan c menunjukkan skema NCFET dan kontrol MOSFET yang dibuat, masing-masing. Gerbang logam internal dalam NCFET yang dibuat menyeimbangkan potensi pada permukaan saluran, yang disebut struktur MFMIS.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a memplot kurva I_DS–V_GS yang diukur dari pasang NCFET dan kontrol MOSFET dengan passivasi permukaan 40 menit. Keduanya memiliki panjang gerbang L_G sebesar 3,5 μm. Perangkat NC dengan passivasi 40 menit memiliki I_DS yang ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan kontrol MOSFET. Kurva transfer NCFET menunjukkan fitur non-histeresis. Kurva titik SS versus I_DS dalam Gambar 2b menunjukkan bahwa transistor NC memiliki SS yang ditingkatkan dibandingkan dengan perangkat kontrol, meskipun SS sub-60 mV/dekade tidak muncul. Gambar 2c menunjukkan bahwa transistor NC mendapatkan transkonduktansi linier G_m yang ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan perangkat kontrol pada V_DS sebesar −0,05 V. Gambar 3 membandingkan performa listrik NCFET dan kontrol MOSFET dengan passivasi permukaan selama 60 menit. Demikian pula, I_DS, titik SS, dan G_m dari NCFET superior dibandingkan dengan kontrol MOSFET.

Gambar 4a menunjukkan hasil statistik arus drive dari NCFET dan kontrol MOSFET pada V_DS sebesar −0,05 V dan V_GS–V_TH = −1,0 V. NCFET menunjukkan peningkatan I_DS sebesar 18,7% dan 35,6% untuk passivasi permukaan 60 menit dan 40 menit, masing-masing, dibandingkan dengan perangkat kontrol. Diduga bahwa NCFET yang di-passivasi selama 40 menit memiliki kecocokan yang lebih baik antara C_MOS dan C_FE dibandingkan dengan perangkat NC dengan passivasi 60 menit. Gambar 4b menunjukkan bahwa NCFET mendapatkan peningkatan G_m,maks sebesar 26,4% dan 51,3% untuk passivasi permukaan 60 menit dan 40 menit, masing-masing, dibandingkan dengan perangkat kontrol. Terlihat bahwa kontrol MOSFET dengan passivasi permukaan 40 menit memiliki I_DS dan G_m,maks yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat yang di-passivasi selama 60 menit, yang disebabkan oleh C_MOS yang lebih besar yang diinduksi oleh tebal oksida ekuivalen (E_OT) yang lebih kecil. Gerbang logam internal menyediakan bidang potensial ekuivalen; perangkat dapat di-model ekuivalen sebagai pembagi tegangan kapasitif. Kapasitansi total C_G adalah seri dari C_FE dan C_MOS. Tegangan gerbang internal diperkuat karena efek NC. Koefisien amplifikasi tegangan internal β = |C_FE| / |C_FE| − C_MOS mendapatkan maksimum ketika |C_MOS| = |C_FE| [20, 21]. Mencapai kecocokan yang dioptimalkan antara C_FE dan C_MOS adalah prasyarat untuk peningkatan arus on.

Kurva V_int yang diekstrak versus tegangan gerbang V_GS ditunjukkan dalam Gambar 5a. V_int dari transistor NC dapat diekstrak berdasarkan hipotesis bahwa kurva I_DS–V_int dari transistor NC identik secara tepat dengan kurva I_DS–V_GS dari perangkat kontrol. Koefisien amplifikasi tegangan internal dV_int/dV_GS ditunjukkan dalam Gambar 5b. dV_int/dV_GS > 1 dicapai dalam rentang sweep V_GS yang luas untuk NCFET dengan passivasi permukaan 40 menit, berkontribusi pada SS yang lebih curam dibandingkan dengan perangkat kontrol selama proses pengukuran, yang disebabkan oleh switching polarisasi lokal [22]. Ini konsisten dengan hasil sebelumnya dalam Gambar 2b. Untuk NCFET dengan passivasi 60 menit, koefisien amplifikasi tegangan internal dV_int/dV_GS > 1 dicapai selama rentang V_GS < 0 V untuk sweep ganda V_GS, yang sepakat dengan SS yang ditingkatkan dalam Gambar 3b.

Gambar 6a menunjukkan kurva C_MOS yang diekstrak versus V_GS untuk transistor NC, yang bergantung pada V_int–V_GS dalam Gambar 5a dan kurva C_G–V_GS dari kontrol MOSFET. C_MOS yang diekstrak sepakat dengan C_G yang diukur. Oleh karena itu, validitas metode perhitungan ditunjukkan. Kurva C_FE dan C_MOS versus V_FE digambarkan dalam Gambar 6b. Dari awal efek NC, nilai mutlak dari C_FE negatif dari transistor melebihi C_MOS untuk sweep ganda V_GS setiap saat dalam Gambar 6b. |C_FE| > C_MOS dan C_FE < 0 dapat menyebabkan karakteristik tanpa histeresis, dan kecocokan antara C_MOS dan C_FE bermanfaat untuk aplikasi logika [23, 24]. Karakteristik tanpa histeresis dalam Gambar 2a dan 3a diamati disebabkan oleh kecocokan semua domain dan penangkap muatan yang dihemat [25]. Switching polarisasi yang stabil bertanggung jawab atas karakteristik non-histeresis [26]. Selain itu, gain gerbang internal yang besar dV_int/dV_G > 1 disebabkan oleh perbedaan kecil antara |C_FE| dan C_MOS di wilayah subthreshold, menghasilkan SS yang curam dari perangkat NC. Sementara itu, ada kecocokan yang lebih baik antara C_FE dan C_MOS untuk NCFET dengan passivasi 40 menit dibandingkan dengan NCFET dengan passivasi 60 menit. Oleh karena itu, ini memberikan bukti langsung untuk menunjukkan bahwa NCFET dengan passivasi 40 menit memiliki performa listrik yang lebih baik dibandingkan dengan NCFET dengan passivasi 60 menit. Perubahan polarisasi FE mengubah V_FE; hence muatan FE bervariasi. Muatan total diperkalikan, yang disebabkan oleh polarisasi FE selain peningkatan V_GS. Dengan kata lain, untuk V_GS yang diberikan, muatan di saluran meningkat sehingga I_DS meningkat. Akibatnya, SS yang curam dari karakteristik transfer muncul dalam eksperimen.

Kesimpulan

Karakteristik transfer tanpa histeresis diperoleh untuk NCFET dengan passivasi 40 dan 60 menit. NC Ge pFET dengan passivasi 40 menit memiliki karakteristik listrik yang lebih baik dibandingkan dengan perangkat NC dengan passivasi 60 menit dalam eksperimen. Kami juga mendemonstrasikan efek NC dari NCFET berbasis HZO. Untuk NCFET, SS yang curam dan dV_int/dV_GS > 1 diperoleh. NCFET dengan passivasi 40 menit telah mencapai kecocokan yang baik antara C_FE dan C_MOS, yang berkontribusi pada karakteristik non-histeresis. Perbedaan perilaku NC dipertimbangkan terkait dengan switching dinding domain mikroskopik dalam film tipis FE.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.

Singkatan

B⁺ :

Ion bor

E_OT :

Tebal oksida ekuivalen

FETs:

Transistor efek lapangan

HZO:

HfZrOₓ

IC:

Rangkaian terintegrasi

I-MOS:

Impact ionization metal-oxide-semiconductor

MOS:

Metal oxide semiconductor

NC:

Kapasitansi negatif

NCFET:

Transistor efek lapangan kapasitansi negatif

NEMFET:

Nano-electro mechanical FET

S/D:

Sumber/saluran

SS:

Subthreshold swing