Transistores de efeito de campo de capacitância negativa de germânio:Impactos da composição de Zr em Hf1 − xZrxO2

Resumo

Transistores de efeito de campo de capacitância negativa de germânio (Ge) (NCFETs) com várias composições de Zr em Hf _{1− x} Zr _x O ₂ ( x =0,33, 0,48 e 0,67) são fabricados e caracterizados. Para cada composição de Zr, o NCFET exibe a queda repentina em alguns pontos de oscilação subliminar (SS), que é induzida pelo efeito NC. Conduza a corrente I _DS aumenta com o aumento da temperatura de recozimento, que deve ser devido à redução da resistência da fonte / dreno e à melhora da mobilidade do portador. Os pontos SS íngremes são repetíveis e estáveis por meio de múltiplas medições de varredura DC, provando que são induzidos pelo efeito NC. Os valores da tensão da porta V _GS correspondentes a SS íngremes são consistentes e no sentido horário I _DS - V _GS são mantidos por meio de múltiplas varreduras DC. Na temperatura de recozimento fixa, dispositivo NC com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ atinge o I superior _DS mas histerese maior em comparação com as outras composições. NCFET com Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ pode obter o excelente desempenho com curvas livres de histerese e alto I _DS .

Histórico

O transistor de efeito de campo de capacitância negativa ferroelétrica (NCFET) com um filme ferroelétrico inserido na pilha de portas é um candidato promissor para as aplicações de dissipação de baixa potência devido à sua capacidade de superar a limitação fundamental em oscilação de sublimiar (SS) para o metal convencional. transistor de efeito de campo semicondutor de óxido (MOSFET) [1]. Os fenômenos de capacitância negativa (NC) em NCFETs foram extensivamente estudados em materiais de diferentes canais, incluindo silício (Si) [2, 3], germânio (Ge) [4], germânio-estanho (GeSn) [5], III-V [6] e materiais 2D [7]. Além disso, as características NC foram demonstradas em NCFETs com vários ferroelétricos, como BiFeO ₃ [8], PbZrTiO ₃ (PZT) [9], PVDF [10] e Hf _{1− x} Zr _x O ₂ [11]. Comparado a outros ferroelétricos, Hf _{1− x} Zr _x O ₂ tem a vantagem de ser compatível com a integração CMOS. Estudos experimentais têm mostrado que o desempenho elétrico de NCFETs pode ser otimizado variando a espessura e área de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , que afeta o casamento entre a capacitância MOS ( C _MOS ) e capacitância ferroelétrica ( C _FE ) [12, 13]. Espera-se que a composição Zr em Hf _{1− x} Zr _x O ₂ também tem um grande impacto no desempenho de NCFETs, porque determina as propriedades ferroelétricas de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ . No entanto, ainda falta um estudo detalhado sobre os impactos da composição do Zr nas características elétricas dos NCFETs.

Neste artigo, estudamos de forma abrangente as influências da temperatura de recozimento e da composição de Zr no desempenho do Ge NCFET.

Métodos

Principais etapas do processo para a fabricação de NCFETs de canal Ge p com as diferentes composições de Zr em Hf _{1− x} Zr _x O ₂ são mostrados na Fig. 1 (a). Após a limpeza pré-impregnada, substratos de n-Ge (001) foram carregados na câmara de deposição de camada de átomo (ALD). Um fino Al ₂ O ₃ (25 ciclos) filme foi depositado, o que foi seguido pelo O ₃ passivação. Então, o Hf _{1- x} Zr _x O ₂ filmes (x =0,33, 0,48 e 0,67) foram depositados na mesma câmara ALD usando [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Hf (TDMAHf), [(CH ₃ ) ₂ N] ₄ Zr (TDMAZr) e H ₂ O como os precursores Hf, Zr e O, respectivamente. Depois disso, a porta de metal TaN foi depositada usando a pulverização catódica reativa. Após a padronização e gravação do portão, íons de boro (B ⁺ ) foram implantados em regiões de fonte / dreno (S / D) a uma energia de 20 keV e uma dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . Metais S / D não autoalinhados foram formados pelo processo de decolagem. Finalmente, o recozimento térmico rápido (RTA) foi realizado em várias temperaturas para ativação de dopante, metalização S / D e cristalização de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ filme. Ge controle pMOSFETs com o Al ₂ O ₃ / HfO ₂ pilha também foi fabricada.

( a ) Principais etapas do processo para a fabricação de Ge NCFETs com as diferentes composições de Zr em Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ ferroelétricos. ( b ) Esquemático do transistor NC fabricado. ( c ) Imagem TEM da pilha de portas do dispositivo NC ilustrando o H de 7 nm _0,52 Zr _0,48 O ₂ camada e 2 nm Al ₂ O ₃ camada

A Figura 1 (b) mostra o esquema do NCFET fabricado. A imagem do microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) na Fig. 1 (c) mostra a pilha de portas no canal Ge do dispositivo com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ ferroelétrico. As espessuras de Al ₂ O ₃ e Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ as camadas são 2 nm e 7 nm, respectivamente.

Para confirmar as estequiometrias de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , foi realizada a medição de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). As Figuras 2 (a) e (b) mostram o Hf 4f e Zr 3d espectros de nível de núcleo de fotoelétrons, respectivamente, para o Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ , Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ e Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ filmes. As composições do material foram calculadas com base na razão da área dos picos e os fatores de sensibilidade correspondentes. Os dois picos de Zr 3d _5/2 e Zr 3d _3/2 tem uma divisão spin-orbital de 2,4 eV, que é composta por Refs. [14, 15]. Com o incremento da composição de Zr em Hf _{1− x} Zr _x O ₂ , Zr 3d e Hf 4f os picos mudam para a direção de menor energia.

( a ) Hf 4f e ( b ) Zr 3d espectros de nível de núcleo para o Hf _{1− x} Zr _x O ₂ amostras com as diferentes composições de Zr

As propriedades ferroelétricas do Hf _{1− x} Zr _x O ₂ filmes ( x =0,33, 0,48 e 0,66) foram caracterizados pela polarização P vs. tensão da unidade V medição de loops de histerese. P - V loops foram gravados nos dispositivos pristine. A Figura 3 mostra as curvas de P vs. V para TaN / Hf _{1− x} Zr _x O ₂ (10 nm) / amostras TaN em uma série de tensões de acionamento. Com o aumento da temperatura pós-recozimento de 500 para 550 ° C, o P - V curvas do Hf _{1− x} Zr _x O ₂ tendem a ficar saturados em um estado de sub-loop. À medida que a composição de Zr aumenta, a polarização remanescente do filme é obviamente melhorada e o afinamento do ciclo de histerese em polarização zero é observado, o que pode ser fenomenologicamente melhor descrito como características semelhantes a antiferroelétricas sobrepostas [16, 17].

Curvas medidas P-V do Hf _1-x Filmes de ZrxO2 com diferentes composições de Zr recozidos em 500 e 550 ^o C. ( a ) e ( b ) são os Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ filme recozido em 500 e 550 ^o C, respectivamente. ( c ) e ( d ) são os Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ filme recozido em 500 e 550 ^o C, respectivamente. ( e ) e ( f ) são os Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ filme recozido em 500 e 550 ^o C, respectivamente. Com o pós recozimento, a temperatura aumenta de 500 para 550 ^o C, as curvas P-V do Hf _1-x Zr _x O ₂ tendem a ficar saturados em um estado de sub-loop. Uma evolução do comportamento ferroelétrico para um comportamento antiferroelétrico é observada com o aumento da composição de Zr.

Resultados e discussão

A Figura 4 (a) mostra as características de transferência medidas de Ge NCFETs com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ ferroelétricos com diferentes temperaturas de recozimento e dispositivo de controle com Al ₂ O ₃ / HfO ₂ empilhar dielétrico. O dispositivo de controle foi recozido a 500 ° C. Todos os dispositivos têm um comprimento de portão L _G de 2 μm. A varredura para a frente e para trás são indicadas pelos símbolos aberto e sólido, respectivamente. Os NCFETs têm uma corrente de acionamento muito mais alta em comparação com o dispositivo de controle. É visto que, com a temperatura de recozimento aumentando de 450 para 550 ° C, a tensão limite V _TH dos dispositivos NC mudam para o V positivo _GS direção. Os NCFETs apresentam uma pequena histerese, que se torna desprezível com o aumento da temperatura do RTA. O efeito de trapping também leva à histerese, mas isso produz o I no sentido anti-horário _DS - V _GS loop, oposto aos resultados induzidos por chaveamento ferroelétrico [18]. Ponto SS vs. I _DS curvas na Fig. 4 (b) mostram que o transistor NC exibe a queda repentina em alguns pontos de SS, correspondendo à mudança abrupta de I _DS induzido pelo efeito NC [19]. Observa-se que os NCFETs alcançam as características de SS melhoradas em relação ao dispositivo de controle. Descobrimos que os pontos de queda repentina dos dispositivos são consistentes nas diferentes temperaturas de recozimento. O medido eu _DS - V _DS curvas dos NCFETs com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ recozidos ferroelétricos em diferentes temperaturas são mostrados na Fig. 4 (c). eu _DS - V _DS curvas do transistor NC mostram o fenômeno NDR óbvio, que é uma característica típica dos transistores NC [20,21,22,23]. A Figura 4 (d) são os gráficos do I _DS dos Ge NCFETs com o Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ camada ferroelétrica recozida a 450, 500 e 550 ° C, respectivamente, a V _DS =- 0,05 V e - 0,5 V, e | V _GS - V _TH | =1,0 V. Aqui, o V _TH é definido como o V _GS em eu _DS de 10 ⁻⁷ A / μm. eu _DS aumenta com o aumento da temperatura do RTA, que é devido à redução da resistência da fonte / dreno e melhora da mobilidade do portador na temperatura de recozimento mais alta.

( a ) Medido I _DS - V _GS curvas para NCFETs com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ dispositivo ferroelétrico e de controle. ( b ) Ponto SS vs. I _DS curvas mostrando que os NCFETs têm SS mais íngreme em comparação com o MOSFET de controle. ( c ) Eu _DS - V _DS curvas para os NCFETs demonstrando os fenômenos NDR típicos. ( d ) Comparação do I _DS para os NCFETs recozidos em várias temperaturas em uma ultrapassagem de porta de 1 V

Além do Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ transistor ferroelétrico, também investigamos as características elétricas dos transistores Ge NC com o Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ ferroelétrico. A Figura 5 (a) apresenta o I _DS - V _GS características dos dispositivos com Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ com as diferentes temperaturas de recozimento em V _DS =- 0,05 V e - 0,5 V. Comparado com o Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ Transistores NC, histerese ainda menor é obtida. Semelhante ao Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ Transistores NC, conforme a temperatura de recozimento aumenta de 450 para 550 ° C, V _TH do aumento do dispositivo de - 0,63 V para 0,51 V na varredura para frente em V _DS =- 0,05 V. Ponto SS em função de I _DS características para o Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ NCFETs ferroelétricos são representados na Fig. 5 (b). Além disso, dispositivos com temperatura de recozimento de 450 ° C e 500 ° C obtêm a queda repentina mais óbvia em SS em comparação com o transistor recozido de 550 ° C. Os pontos de queda repentinos em diferentes temperaturas de recozimento ocorrem na mesma tensão de porta. A Figura 5 (c) exibe para frente e para trás I _DS do Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ NCFETs em V _DS =- 0,05 V e - 0,5 V, e | V _GS - V _TH | =1,0 V. Seja para a varredura para frente ou para trás, o I _DS aumenta com a temperatura de recozimento, que é consistente com a característica do Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ dispositivo.

( a ) Características de transferência medidas do Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ NC Ge pFETs recozidos de 450 a 550 ° C. ( b ) Ponto SS em função de I _DS para o Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ dispositivos. ( c ) Eu _DS para os transistores NC ferroelétricos com diferentes temperaturas de recozimento em uma ultrapassagem de porta de 1 V

Também investigamos o desempenho elétrico do Ge NCFET com a menor composição de Zr. As características de transferência do Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ NCFETs recozidos em diferentes temperaturas de recozimento são apresentados na Fig. 6 (a). Nenhum fenômeno de histerese é observado. Comparado com Hf _0,33 Zr _0,67 O ₂ e Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ dispositivos, o V _TH o deslocamento induzido pela variação da temperatura de recozimento é menos pronunciado em Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ NCFETs. Ponto SS vs. I _DS curvas na Fig. 6 (b) mostram que o Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ Transistor NC exibe queda repentina em alguns pontos do transistor SS de NC em V _DS =- 0,05 V. A Figura 6 (c) apresenta o I _DS de Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ Ge NCFETs recozidos a 450 ° C, 500 ° C e 550 ° C, a V _DS =- 0,05 V e - 0,5 V, e | V _GS - V _TH | =1,0 V. Da mesma forma, eu _DS aumenta à medida que a temperatura do RTA aumenta.

( a ) Medido I _DS - V _GS do Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ NC Ge pFETs recozidos a 450 ° C, 500 ° C e 550 ° C. ( b ) Ponto SS vs. I _DS características dos dispositivos. ( c ) Eu _DS para os transistores NC ferroelétricos com diferentes temperaturas de recozimento em uma ultrapassagem de porta de 1 V

A estabilidade do efeito NC induzido pela camada ferroelétrica do Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ O NCFET foi verificado por múltiplas medições de varredura DC. O medido eu _DS - V _GS curvas ao longo de 100 ciclos de varredura DC são mostradas na Fig. 7 (a). Pode-se ver que os valores de V _GS correspondentes a SS íngremes são consistentes. Além disso, o sentido horário I-V os loops são mantidos por meio de múltiplas varreduras DC. Os pontos SS íngremes são repetíveis e estáveis por meio de múltiplas varreduras DC, o que prova ainda que eles são induzidos pelo efeito NC. A Figura 7 (b) apresenta o melhor ponto SS e a corrente de comando ao longo do número de ciclos de varredura. A Figura 7 (c) mostra as características de histerese em função do número de ciclos de varredura CC. Estável I-V janela de histerese de ~ 82 mV são vistas.

( a ) Medido I _DS - V _GS curvas de um Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ NC Ge pFET em 100 ciclos de varredura DC. ( b ) Melhor ponto SS e I _DS vs. número do ciclo. ( c ) Características de histerese em função do número de ciclos de varredura DC

Resumimos a histerese e as características de corrente do drive de Ge NCFETs com diferentes composições de Zr em Hf _{1− x} Zr _x O ₂ na Fig. 8. Conforme mostrado na Fig. 8 (a), os valores de histerese são 70, 148 e 106 mV para dispositivos com x =0,33, 0,48 e 0,67, respectivamente, em um V _DS de - 0,5 V. Conforme a composição aumenta de 0,33 para 0,48, a histerese do dispositivo NC aumenta significativamente. Com o aumento adicional da composição de Zr, a histerese diminui rapidamente. O eu _DS de NCFETs recozidos a 450 ° C é representado graficamente na Fig. 8 (b), em V _DS =- 0 . 5 V e V _GS - V _TH =- 1 . 0 V. Aberto e sólido representam a varredura para frente e para trás, respectivamente. O dispositivo NC com Hf _0,52 Zr _0,48 O ₂ atinge o mais alto I _DS , mas sua histerese é séria. NCFET com Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ pode obter excelente desempenho com curvas livres de histerese e alto I _DS . À medida que a composição de Zr aumenta, a capacitância ferroelétrica C _fe (=0,3849 * P _r / ( E _c * t _fe ) [24]) aumenta com o aumento de P _r e, entretanto, a capacitância MOS ( C _MOS ) também aumenta devido à crescente permissividade do filme HZO. O eu _DS e a histerese é determinada por | C _fe | e C _MOS do transistor. Com a composição de Zr aumentando de 0,33 para 0,48, o aumento de | C _fe | é especulado para ser mais lento do que o C _MOS , levando ao alargamento da histerese. No entanto, o maior C _MOS produz um I superior _DS . Com o aumento da composição de Zr, o aumento de | C _fe | é mais rápido que C _MOS , que pode fornecer | C _fe | ≥ C _MOS , reduzindo a histerese de NCFET.

Gráficos estatísticos de ( a ) histerese e ( b ) Eu _DS de Ge NCFET com Hf _{1− x} Zr _x O ₂ ( x =0,33, 0,48 e 0,67)

Conclusões

Os impactos da temperatura de recozimento e da composição de Zr em Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ sobre o desempenho elétrico do Ge NCFETs são estudados experimentalmente. As estequiometrias e propriedades ferroelétricas de Hf _{1− x} Zr _x O ₂ foram confirmados por XPS e P-V medições, respectivamente. NCFETs demonstram o ponto íngreme SS e melhorou I _DS em comparação com o dispositivo de controle, devido ao efeito NC. O V _TH e eu _DS do Hf _{1 −x} Zr _x O ₂ Os NCFET são muito afetados pela temperatura de recozimento. Múltiplas medições de varredura DC mostram que a estabilidade do efeito NC induzido pela camada ferroelétrica é alcançada no NCFET. Hf _0,67 Zr _0,33 O ₂ O NCFET pode atingir mais facilmente as características livres de histerese do que os dispositivos com maior composição de Zr.

Abreviações

Al ₂ O ₃ :: Óxido de aluminio
ALD:: Deposição de camada atômica
BF ₂ ⁺ :: Íon fluoreto de boro
DC:: Corrente direta
Ge:: Germânio
GeO _x :: Óxido de germânio
HF:: Acido hidrosulfurico
HfO ₂ :: Dióxido de háfnio
HRTEM:: Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução
MOSFETs:: Transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico
NC:: Capacitância negativa
Ni:: Níquel
SS:: Balanço de sublimiar
TaN:: Nitreto de tântalo
TDMAHf:: Tetraquis (dimetilamido) háfnio
TDMAZr:: Tetraquis (dimetilamido) zircônio

Ge pMOSFETs com passivação GeOx formada por ozônio e pós-oxidação de plasma Formação de esferas de carbono monodispersas com tamanho ajustável via síntese assistida por copolímero tribloco e suas propriedades de capacitor

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias