FET Kapasitansi Negatif Berbasis ZrOx dengan Subthreshold Swing di Bawah 60 mV/des

Abstrak

Di sini kami melaporkan FET kapasitansi negatif (NC) berbasis ZrO_x dengan subthreshold swing (SS) 45,06 mV/des dalam rentang ± 1 V V_GS, yang dapat membuka peluang baru dalam aplikasi NCFET dapat diskalakan tegangan di masa depan. Perilaku mirip ferroelektrik kapasitor Ge/ZrO_x/TaN diusulkan berasal dari dipol rongga oksigen. Efek NC dari perangkat film HfO₂ amorf dan ZrO_x dapat dibuktikan dengan penurunan tiba-tiba kebocoran gerbang, fenomena resistensi diferensial negatif (NDR), peningkatan IDS dan sub-60 subthreshold swing. NCFET berbasis ZrO_x 5 nm mencapai histeresis searah jarum jam 0,24 V, SS di bawah 60 mV/des dan peningkatan IDS sebesar 12% dibandingkan perangkat kontrol tanpa ZrO_x. Efek NC yang ditekan NCFET Al₂O₃/HfO₂ dibandingkan dengan NCFET ZrO_x terkait dengan perpindahan sebagian dipol rongga oksigen pada pemindaian maju karena dipol antarmuka negatif di antarmuka Al₂O₃/HfO₂.

Latar Belakang

Seiring dengan terus mengecilnya perangkat semikonduktor logam oksida komplementer (CMOS), teknik sirkuit terpadu (IC) telah memasuki era “lebih dari era Moore”. Penggerak industri dan teknologi IC menjadi pengurangan konsumsi daya, bukan pengemasan transistor [1, 2]. Namun, tirani Boltzmann MOSFET, lebih dari 60 mV/des SS telah membatasi efisiensi daya/energi [3]. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak perangkat baru yang diusulkan memiliki kemampuan untuk mencapai SS ambang bawah 60 mV/des, termasuk MOSFET ionisasi dampak, tunnel FET dan NCFET [4,5,6,7]. Karena struktur yang sederhana, SS yang curam dan arus dorong yang ditingkatkan, NCFET dengan film ferroelektrik (FE) telah dianggap sebagai alternatif menarik di antara perangkat muncul ini [8,9,10]. Eksperimen yang dilaporkan tentang NCFET terutama mencakup PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE) dan HfZrO_x (HZO) [11,12,13,14,15,16,17]. Namun, suhu proses yang tinggi dan kebocoran gerbang yang tidak diinginkan sepanjang batas butir bahan ferroelektrik policristal telah membatasi perkembangannya untuk node teknologi terkini [18,19,20,21,22,23,24,25,26]. Akhir-akhir ini, ferroelektrik pada film Al₂O₃ dan ZrO_x amorf yang diaktifkan oleh dipol rongga oksigen terpadu tegangan telah diteliti [27,28,29]. Dibandingkan dengan krystalnya, film ferroelektrik mirip amorf memiliki keuntungan signifikan dalam suhu proses yang lebih rendah dan kebocoran arus. Oleh karena itu, banyak penelitian tentang FeFET dengan pengikat gerbang amorf untuk aplikasi memori non-volatil dan sinap analog [27, 30,31,32,33,34]. Namun, penelitian sistematis tentang satu-transistor NCFET berbasis ZrO_x belum dilakukan.

Dalam karya ini, Ge NCFET dengan lapisan dielektrik ferroelektrik ZrO_x 5 nm dan lapisan dielektrik ferroelektrik Al₂O₃/HfO₂ 5 nm telah diusulkan, masing-masing. Kami secara eksperimental mengamati SS curam bawah 60 mV/des dalam NCFET ZrO_x (5 nm), yang dapat dikaitkan dengan efek NC lapisan ferroelektrik ZrO_x. Dan kami menganalisis polarisasi P sebagai fungsi dari tegangan yang diterapkan V untuk kapasitor Ge/ZrO_x/TaN. Perilaku mirip ferroelektrik kapasitor Ge/ZrO_x/TaN diinduksi oleh dipol rongga oksigen yang diinduksi tegangan. Selain itu, kami mengaitkan peningkatan I_DS dan penurunan tiba-tiba I_G dalam NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x dengan efek NC. Kami juga mengamati fenomena NDR dalam NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x. Selain itu, kami lebih lanjut menganalisis mekanisme fisik penurunan efek NC yang diinduksi oleh dipol antarmuka dalam NCFET Al₂O₃/HfO₂. NCFET ZrO_x dengan SS curam bawah 60 mV/des, tegangan drain yang ditingkatkan dan tegangan operasi rendah akan cocok untuk desain NCFET dengan konsumsi daya rendah dalam era “lebih dari Moore”.

Metode

Langkah-langkah proses utama untuk pembuatan NCFET dengan ZrO_x dan Al₂O₃/HfO₂ ditunjukkan pada Gambar 1a. Berbagai pengikat dielektrik, termasuk film Al₂O₃/HfO₂ amorf (5 nm) dan film ZrO_x amorf (4,2 nm) tumbuh pada substrat n-Ge (001) oleh deposisi lapis atom (ALD) pada 300 °C. TMA, TDMAHf, TDMAZr dan H₂O vapor digunakan sebagai prekursor Al, Hf, Zr dan O, masing-masing. Waktu pulsa dan waktu purge prekursor Hf dan Zr adalah 1,6 s dan 8 s, masing-masing. Waktu pulsa dan waktu purge prekursor Al adalah 0,2 s dan 8 s, masing-masing. Elektroda gerbang atas TaN kemudian ditambal pada permukaan HfO₂ atau ZrO_x oleh sputtering reaktif. Wilayah sumber/saluran (S/D) ditentukan oleh pola litografi dan pengeringan kering. Setelah itu, bor (B⁺) dan nikel (Ni) ditambal pada wilayah sumber/saluran (S/D). Akhirnya, pemanasan termal cepat (RTA) pada 350 °C selama 30 s dalam ambu nitrogen 10⁸ Pa dilakukan. Gambar 1b, d menunjukkan skematis NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x yang diproduksi. Gambar HRTEM resolusi tinggi pada Gambar 1c menggambarkan film HfO₂ amorf (5 nm) pada Ge (001) dengan lapisan antarmuka Al₂O₃. Gambar HRTEM pada Gambar 1e menggambarkan film ZrO_x amorf (4,2 nm) pada Ge (001). Kurva C-V NCFET ZrO_x dan spektrum fotoelektron X-ray (XPS) kapasitor TaN/ZrO_x (4,2 nm)/Ge diukur dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1.

a Langkah-langkah proses utama untuk pembuatan NCFET Al₂O₃/5 nm HfO₂ dan NCFET ZrO_x 4,2 nm. b Skematis dan c citra HRTEM NCFET ZrO_x yang diproduksi. d Skematis dan e citra HRTEM NCFET Al₂O₃/HfO₂ yang diproduksi

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a menunjukkan kurva yang diukur dari karakteristik polarisasi P v.s. tegangan yang diterapkan V untuk kapasitor Ge/ZrO_x/TaN pada 3,3 kHz. Panjang gerbang (L_G) kapasitor adalah 8 μm. Terlihat bahwa polarisasi sisa P_r kapasitor Ge/ZrO_x/TaN dapat ditingkatkan dengan rentang pemindaian V yang lebih besar. Perilaku mirip ferroelektrik film ZrO_x amorf pada Gambar 2a diusulkan berasal dari dipol rongga oksigen yang diinduksi tegangan [35]. Gambar 2b menunjukkan kurva P–V yang diukur untuk kapasitor Ge/ZrO_x/TaN pada berbagai frekuensi dari 200 hingga 10 kHz. Kami dapat melihat bahwa perilaku mirip ferroelektrik film ZrO_x amorf tetap stabil untuk semua frekuensi. Namun, P_r film ZrO_x amorf berkurang seiring dengan peningkatan frekuensi. Fenomena ini dapat dijelaskan oleh perpindahan dipol yang tidak lengkap pada frekuensi pengukuran tinggi [36, 37]. Seiring dengan peningkatan frekuensi pengukuran, waktu untuk perubahan arah medan listrik dalam film ZrO_x amorf berkurang. Oleh karena itu, sebagian perpindahan dipol rongga oksigen tidak lengkap, yang memberikan P_r yang berkurang.

Karakteristik P versus V yang diukur dari kapasitor ZrO_x 4,2 nm dengan a rentang pemindaian V yang berbeda dan b frekuensi pengukuran yang berbeda

Gambar 3a menunjukkan kurva I_DS–V_GS yang diukur dari NCFET ferroelektrik Al₂O₃/HfO₂ pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. L_G perangkat adalah 3 μm. Loop histeresis 0,14 V (V_DS = − 0,05 V, I_ds = 1 nA/μm) dan 0,08 V (V_DS = − 0,5 V, I_ds = 1 nA/μm) ditunjukkan, masing-masing. Loop histeresis searah jarum jam dikaitkan dengan migrasi rongga oksigen yang diiringi muatan negatif. Dipol rongga oksigen menyatukan (menghabiskan) di antarmuka Ge/Al₂O₃ pada V_GS positif (negatif). Oleh karena itu, tegangan ambang (V_TH) meningkat (berkurang) pada pemindaian maju (mundur) tegangan gerbang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, karakteristik output NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan FET kontrol dibandingkan. Arus saturasi NCFET Al₂O₃/HfO₂ melebihi 26 μA/μm, dengan kenaikan 23% dibandingkan FET kontrol pada |V_GS–V_TH| =|V_DS|= 0,8 V. Peningkatan arus disebabkan oleh intensitas muatan inversi (Q_inv) yang meningkat dalam medan listrik polarisasi terbalik dan penguatan potensi permukaan [38, 39]. Selain peningkatan arus, fenomena NDR yang jelas yang diperoleh membuktikan efek NC film HfO₂ amorf. Efek NDR disebabkan oleh perpindahan yang tidak lengkap dari dipol rongga oksigen karena coupling drain-to-channel seiring dengan peningkatan V_DS [40, 41]. Gambar 3c membandingkan kurva kebocoran gerbang I_G–V_GS yang diukur untuk NCFET Al₂O₃/HfO₂ 5 nm pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. Penurunan tiba-tiba I_G hanya selama pemindaian mundur menunjukkan penurunan tegangan dalam film HfO₂ amorf dan penguatan potensi permukaan [42]. Kehilangan efek NC selama pemindaian maju disebabkan oleh perpindahan sebagian dipol rongga oksigen dalam film HfO₂ amorf [43]. Kemampuan yang berbeda untuk menahan atom oksigen antara lapisan Al₂O₃ dan HfO₂ menyebabkan redistribusi oksigen dan dipol antarmuka negatif di antarmuka Al₂O₃/HfO₂ [44, 45]. Karena kehadiran dipol antarmuka negatif, sulit bagi film HfO₂ amorf untuk merealisasikan perpindahan polarisasi lengkap (efek NC) pada pemindaian maju (Berkas Tambahan 1).

a Kurva I_DS–V_GS yang diukur dari NCFET HfO₂ 5 nm ketika V_DS = − 0,5 V dan V_DS = − 0,05 V. b Kurva I_DS–V_DS yang diukur dari NCFET HfO₂ dan MOSFET kontrol. c Kurva I_G–V_GS yang diukur dari NCFET HfO₂ 5 nm ketika V_DS = − 0,5 V dan V_DS = − 0,05 V

Gambar 4a menunjukkan kurva transfer yang diukur dari NCFET ferroelektrik ZrO_x pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. L_G kedua perangkat adalah 4 μm. Loop histeresis searah jarum jam 0,24 V (V_DS = − 0,05 V, I_ds = 1 nA/μm) dan 0,14 V (V_DS = − 0,5 V, I_DS = 1 nA/μm) ditunjukkan, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, karakteristik output NCFET ZrO_x dan FET kontrol dibandingkan. Arus saturasi NCFET ZrO_x melebihi 30 μA/μm, dengan kenaikan 12% dibandingkan FET kontrol pada |V_GS–V_TH| =|V_DS|= 1 V. Peningkatan arus yang ditingkatkan dan fenomena NDR yang lebih jelas menunjukkan efek NC yang ditingkatkan film ZrO_x amorf (5 nm) dibandingkan film HfO₂ 5 nm. Gambar 4c membandingkan kurva kebocoran gerbang I_G–V_GS yang diukur untuk NCFET ZrO_x 5 nm pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. Dibandingkan dengan penurunan tiba-tiba I_G NCFET Al₂O₃/HfO₂ hanya selama pemindaian mundur pada Gambar 3c, penurunan tiba-tiba I_G baik pada pemindaian maju maupun mundur pada Gambar 4c juga membuktikan efek NC yang ditingkatkan dalam film ZrO_x amorf.

a Kurva I_DS–V_GS yang diukur dari NCFET ZrO_x 5 nm ketika V_DS = − 0,5 V dan V_DS = − 0,05 V. b Kurva I_DS–V_DS yang diukur dari NCFET ZrO_x dan MOSFET kontrol yang menunjukkan fenomena NDR yang jelas. c Kurva I_G–V_GS yang diukur dari NCFET ZrO_x 5 nm ketika V_DS = − 0,5 V dan V_DS = − 0,05 V

Gambar 5a, b menunjukkan SS titik sebagai fungsi dari I_DS untuk NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, SS ambang bawah 60 mV/des dapat dicapai selama pemindaian maju atau mundur V_GS pada V_DS − 0,05 V dan − 0,5 V. Ketika V_DS − 0,05 V, SS forward titik 45,1 mV/des dan SS reverse titik 55,2 mV/des dicapai. Ketika V_DS − 0,5 V, SS forward titik 51,16 mV/des dan SS reverse titik 46,52 mV/des dicapai. Karena kemampuan yang berbeda dalam efek penyaringan lapisan Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x, perpindahan dipol sebagian terjadi dalam NCFET Al₂O₃/HfO₂. Oleh karena itu, efek NC yang lebih jelas dengan SS ambang bawah 60 mV/des dicapai dalam NCFET ZrO_x 5 nm.

SS titik sebagai fungsi dari I_DS untuk a NCFET Al₂O₃/5 nm HfO₂ dan b NCFET ZrO_x 5 nm

Kesimpulan

Kami melaporkan demonstrasi pFET ferroelektrik NC ZrO_x dengan SS ambang bawah 60 mV/des, tegangan operasi rendah 1 V dan histeresis kurang dari 60 mV. Dampak film ZrO_x amorf pada perilaku ferroelektrik dijelaskan oleh dipol rongga oksigen. Peningkatan I_DS dan fenomena NDR juga diperoleh dalam NCFET Al₂O₃/HfO₂ dan ZrO_x dibandingkan perangkat kontrol. Efek NC yang ditekan NCFET Al₂O₃/HfO₂ dapat dikaitkan dengan perpindahan dipol sebagian karena dipol antarmuka di antarmuka Al₂O₃/HfO₂. NCFET ZrO_x dengan SS ambang bawah 60 mV/des, tegangan drain yang ditingkatkan dan tegangan operasi rendah membuka jalan baru untuk desain NCFET konsumsi daya rendah di masa depan.