Otimização de NCFETs de Germânio: Como Níveis de Zr em Hf1-xZrxO2 Influenciam o Desempenho

Resumo

NCFETs (transistores de efeito de campo de capacitância negativa) de germânio (Ge) com várias composições de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 e 0,67) são fabricados e caracterizados. Para cada composição de Zr, o NCFET exibe queda súbita em alguns pontos do swing subthreshold (SS), induzida pelo efeito de capacitância negativa (NC). A corrente de condução I_DS aumenta com o aumento da temperatura de recozimento, o que deve ser devido à redução da resistência de fonte/dreno e mobilidade de portadores melhorada. Os pontos de SS íngreme são repetíveis e estáveis através de múltiplas varreduras DC, provando que são induzidos pelo efeito NC. Os valores de tensão de porta V_GS correspondentes a SS íngreme são consistentes e loops I_DS-V_GS no sentido horário são mantidos através das múltiplas varreduras DC. Em temperatura de recozimento fixa, dispositivo NC com Hf_0,52Zr_0,48O₂ atinge maior I_DS mas histerese maior comparado às outras composições. NCFET com Hf_0,67Zr_0,33O₂ pode obter excelente desempenho com curvas sem histerese e alto I_DS.

Introdução

O transistor de efeito de campo de capacitância negativa ferroelétrica (NCFET) com um filme ferroelétrico inserido na pilha de porta é um candidato promissor para aplicações de baixo consumo de energia devido à sua capacidade de superar a limitação fundamental no swing subthreshold (SS) para o transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) convencional [1]. Os fenômenos de capacitância negativa (NC) em NCFETs têm sido amplamente estudados em diferentes materiais de canal, incluindo silício (Si) [2, 3], germânio (Ge) [4], germânio-estanho (GeSn) [5], III-V [6] e materiais 2D [7]. Além disso, as características NC têm sido demonstradas em NCFETs com vários ferroelétricos, como BiFeO₃ [8], PbZrTiO₃ (PZT) [9], PVDF [10] e Hf_1−xZr_xO₂ [11]. Comparado a outros ferroelétricos, Hf_1−xZr_xO₂ tem a vantagem de ser compatível com integração CMOS. Estudos experimentais mostraram que o desempenho elétrico de NCFETs pode ser otimizado variando a espessura e a área de Hf_1−xZr_xO₂, o que afeta o casamento entre a capacitância MOS (C_MOS) e a capacitância ferroelétrica (C_FE) [12, 13]. Espera-se que a composição de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ também tenha grande impacto no desempenho de NCFETs, porque determina as propriedades ferroelétricas de Hf_1−xZr_xO₂. No entanto, ainda falta um estudo detalhado sobre os impactos da composição de Zr nas características elétricas de NCFETs.

Neste artigo, estudamos abrangentemente as influências da temperatura de recozimento e da composição de Zr no desempenho de NCFETs de Ge.

Métodos

As principais etapas do processo para fabricação de NCFETs de canal p de Ge com diferentes composições de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ são mostradas na Fig. 1(a). Após limpeza pré-porta, substratos n-Ge (001) foram carregados na câmara de deposição de camada atômica (ALD). Um filme fino de Al₂O₃ (25 ciclos) foi depositado, seguido pela passivação com O₃. Então, filmes de Hf_1-xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 e 0,67) foram depositados na mesma câmara ALD usando [(CH₃)₂N]₄Hf (TDMAHf), [(CH₃)₂N]₄Zr (TDMAZr) e H₂O como precursores de Hf, Zr e O, respectivamente. Depois disso, o metal de porta TaN foi depositado usando sputtering reativo. Após padronização e gravação da porta, íons de boro (B⁺) foram implantados nas regiões de fonte/dreno (S/D) a uma energia de 20 keV e dose de 1 × 10¹⁵ cm⁻². Metais de S/D não auto-alinhados foram formados por processo de lift-off. Finalmente, recozimento térmico rápido (RTA) foi realizado a várias temperaturas para ativação de dopantes, metalização de S/D e cristalização do filme Hf_1−xZr_xO₂. pMOSFETs de controle de Ge com pilha Al₂O₃/HfO₂ também foram fabricados.

(a) Principais etapas do processo para fabricação de NCFETs de Ge com diferentes composições de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ ferroelétricos. (b) Esquemático do transistor NC fabricado. (c) Imagem de TEM da pilha de porta do dispositivo NC ilustrando a camada de 7 nm H_0,52Zr_0,48O₂ e camada de 2 nm Al₂O₃.

A Figura 1(b) mostra o esquemático do NCFET fabricado. Imagem de microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) na Fig. 1(c) mostra a pilha de porta no canal de Ge do dispositivo com ferroelétrico Hf_0,52Zr_0,48O₂. As espessuras das camadas Al₂O₃ e Hf_0,52Zr_0,48O₂ são 2 nm e 7 nm, respectivamente.

Para confirmar as estequiometrias de Hf_1−xZr_xO₂, a medição de espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foi realizada. A Figura 2(a) e (b) mostram os espectros de nível de núcleo Hf4f e Zr3d, respectivamente, para filmes Hf_0,67Zr_0,33O₂, Hf_0,52Zr_0,48O₂ e Hf_0,33Zr_0,67O₂. As composições dos materiais foram calculadas com base na razão de área dos picos e nos fatores de sensibilidade correspondentes. Os dois picos de Zr3d_5/2 e Zr3d_3/2 têm uma divisão spin-orbital de 2,4 eV, consistente com Refs. [14, 15]. Com o incremento da composição de Zr em Hf_1−xZr_xO₂, picos Zr3d e Hf4f deslocam para a direção de menor energia.

(a) Hf 4f e (b) Zr 3d espectros de nível de núcleo para amostras Hf_1−xZr_xO₂ com diferentes composições de Zr.

As propriedades ferroelétricas dos filmes Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 e 0,66) foram caracterizadas pela medição de loops de histerese de polarização P vs. tensão de acionamento V. Loops P-V foram registrados em dispositivos prístinos. A Figura 3 mostra as curvas de P vs. V para amostras TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 nm)/TaN em uma série de tensões de acionamento. Com o aumento da temperatura de pós-recozimento de 500 para 550 °C, as curvas P-V de Hf_1−xZr_xO₂ tendem a saturar 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 loop de histerese no viés zero é observado, o que pode ser fenomenologicamente melhor descrito como características antiferoelétricas sobrepostas [16, 17].

Curvas P-V medidas dos filmes Hf_1-xZr_xO₂ com diferentes composições de Zr recozidos a 500 e 550 °C. (a) e (b) filme Hf_0,67Zr_0,33O₂ recozido a 500 e 550 °C, respectivamente. (c) e (d) filme Hf_0,52Zr_0,48O₂ recozido a 500 e 550 °C, respectivamente. (e) e (f) filme Hf_0,33Zr_0,67O₂ recozido a 500 e 550 °C, respectivamente. Com o aumento da temperatura de pós-recozimento de 500 para 550 °C, as curvas P-V de Hf_1-xZr_xO₂ tendem a saturar em um estado de sub-loop. Uma evolução de comportamento ferroelétrico para antiferoelétrico-like é observada com o aumento da composição de Zr.

Resultados e Discussão

A Figura 4(a) mostra as características de transferência medidas de NCFETs de Ge com ferroelétricos Hf_0,52Zr_0,48O₂ com diferentes temperaturas de recozimento e dispositivo de controle com pilha dielétrica Al₂O₃/HfO₂. O dispositivo de controle foi recozido a 500 °C. Todos os dispositivos têm comprimento de porta L_G de 2 µm. Varreduras direta e reversa são indicadas por símbolos abertos e sólidos, respectivamente. Os NCFETs têm corrente de condução muito maior comparada ao dispositivo de controle. Observa-se que, com o aumento da temperatura de recozimento de 450 a 550 °C, a tensão de limiar V_TH dos dispositivos NC desloca para a direção positiva de V_GS. Os NCFETs exibem uma pequena histerese, que se torna desprezível com o aumento da temperatura de RTA. O efeito de aprisionamento também leva à histerese, mas produz loop I_DS-V_GS anti-horário, oposto aos resultados induzidos pela comutação ferroelétrica [18]. Curvas de SS pontual vs. I_DS na Fig. 4(b) mostram que o transistor NC exibe queda súbita em alguns pontos de SS, correspondente à mudança abrupta de I_DS induzida pelo efeito NC [19]. Observa-se que NCFETs alcançam características de SS melhoradas comparadas ao dispositivo de controle. Verificamos que os pontos de queda súbita dos dispositivos são consistentes nas diferentes temperaturas de recozimento. As curvas I_DS-V_DS medidas dos NCFETs com ferroelétrico Hf_0,52Zr_0,48O₂ recozidos a diferentes temperaturas são mostradas na Fig. 4(c). Curvas I_DS-V_DS do transistor NC mostram o fenômeno NDR óbvio, que é uma característica típica de transistores NC [20,21,22,23]. A Figura 4(d) são os gráficos do I_DS dos NCFETs de Ge com camada ferroelétrica Hf_0,52Zr_0,48O₂ recozidos 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, V_TH é definido como V_GS a I_DS de 10⁻⁷ A/µm. I_DS aumenta com o aumento da temperatura de RTA, devido à redução da resistência de fonte/dreno e mobilidade de portadores melhorada na temperatura de recozimento mais alta.

(a) Curvas I_DS-V_GS medidas para NCFETs com Hf_0,52Zr_0,48O₂ ferroelétrico e dispositivo de controle. (b) Curvas SS pontual vs. I_DS mostrando que NCFETs têm SS mais íngreme comparado ao MOSFET de controle. (c) Curvas I_DS-V_DS para os NCFETs demonstrando o fenômeno NDR típico. (d) Comparação do I_DS para os NCFETs recozidos a várias temperaturas com sobretensão de porta de 1 V.

Além do transistor ferroelétrico Hf_0,52Zr_0,48O₂, também investigamos as características elétricas de transistores NC de Ge com ferroelétrico Hf_0,33Zr_0,67O₂. A Figura 5(a) apresenta as características I_DS-V_GS dos dispositivos com Hf_0,33Zr_0,67O₂ com diferentes temperaturas de recozimento a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. Comparado aos transistores NC Hf_0,52Zr_0,48O₂, histerese ainda menor é obtida. Similar aos transistores NC Hf_0,52Zr_0,48O₂, à medida que a temperatura de recozimento aumenta de 450 a 550 °C, V_TH do dispositivo aumenta de −0,63 V para 0,51 V na varredura direta a V_DS = −0,05 V. SS pontual como função das características I_DS para os NCFETs ferroelétricos Hf_0,33Zr_0,67O₂ são representadas na Fig. 5(b). Além disso, dispositivos com temperaturas de recozimento de 450 °C e 500 °C obtêm queda súbita mais óbvia em SS em comparação com o transistor recozido a 550 °C. Os pontos de queda súbita em diferentes temperaturas de recozimento ocorrem na mesma tensão de porta. A Figura 5(c) exibe I_DS direta e reversa dos NCFETs Hf_0,33Zr_0,67O₂ a V_DS = −0,05 V e −0,5 V, e |V_GS–V_TH| = 1,0 V. Seja para varredura direta ou reversa, o I_DS aumenta com a temperatura de recozimento, consistente com a característica do dispositivo Hf_0,52Zr_0,48O₂.

(a) Características de transferência medidas dos pFETs NC de Ge Hf_0,33Zr_0,67O₂ recozidos de 450 a 550 °C. (b) SS pontual como função de I_DS para os dispositivos Hf_0,33Zr_0,67O₂. (c) I_DS para os transistores NC ferroelétricos com diferentes temperaturas de recozimento com sobretensão de porta de 1 V.

Também investigamos o desempenho elétrico de NCFET de Ge com menor composição de Zr. As características de transferência dos NCFETs Hf_0,67Zr_0,33O₂ recozidos a diferentes temperaturas são apresentadas na Fig. 6(a). Nenhum fenômeno de histerese é observado. Comparado aos dispositivos Hf_0,33Zr_0,67O₂ e Hf_0,52Zr_0,48O₂, o deslocamento de V_TH induzido pela variação da temperatura de recozimento é menos pronunciado nos NCFETs Hf_0,67Zr_0,33O₂. Curvas SS pontual vs. I_DS na Fig. 6(b) mostram que o transistor NC Hf_0,67Zr_0,33O₂ exibe queda súbita em alguns pontos de SS do transistor NC a V_DS = −0,05 V. A Figura 6(c) apresenta o I_DS dos NCFETs de Ge Hf_0,67Zr_0,33O₂ 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, I_DS aumenta à medida que a temperatura de RTA aumenta.

(a) I_DS-V_GS medidos dos pFETs NC de Ge Hf_0,67Zr_0,33O₂ recozidos a 450 °C, 500 °C e 550 °C. (b) Características SS pontual vs. I_DS dos dispositivos. (c) I_DS para os transistores NC ferroelétricos com diferentes temperaturas de recozimento com sobretensão de porta de 1 V.

A estabilidade do efeito NC induzido pela camada ferroelétrica do NCFET Hf_0,52Zr_0,48O₂ foi verificada por medições de varredura DC múltiplas. As curvas I_DS-V_GS medidas 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 íngreme são consistentes. Além disso, os loops I-V no sentido horário são mantidos através das múltiplas varreduras DC. Os pontos de SS íngreme são repetíveis e estáveis através de múltiplas varreduras DC, o que prova ainda mais que são induzidos pelo efeito NC. A Figura 7(b) apresenta o melhor SS pontual e corrente de condução através do número de ciclos de varredura. A Figura 7(c) mostra as características de histerese como função do número de ciclos de varredura DC. Janela de histerese I-V estável de ~ 82 mV é vista.

(a) Curvas I_DS-V_GS medidas de um pFET NC de Ge Hf_0,52Zr_0,48O₂ ao longo de 100 ciclos de varredura DC. (b) Melhor SS pontual e I_DS vs. número de ciclos. (c) Características de histerese como função do número de ciclos de varredura DC.

Resumimos as características de histerese e corrente de condução de NCFETs de Ge com diferentes composições de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ na Fig. 8. Como 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, a um V_DS de –0,5 V. À medida que 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 I_DS dos NCFETs recozidos a 450 °C é plotado na Fig. 8(b), a V_DS = −0,5 V e V_GS − V_TH = −1,0 V. Aberto e sólido representam varredura direta e reversa, respectivamente. O dispositivo NC com Hf_0,52Zr_0,48O₂ atinge o maior I_DS, mas sua histerese é séria. NCFET com Hf_0,67Zr_0,33O₂ pode obter excelente desempenho com curvas sem 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 simultaneamente, a capacitância MOS (C_MOS) também aumenta devido ao crescimento da permissividade do filme HZO. O I_DS e a histerese são determinados por |C_fe| e C_MOS do transistor. Com o aumento da composição de Zr de 0,33 para 0,48, o aumento de |C_fe| é especulado ser mais lento que o de C_MOS, levando ao alargamento da histerese. No entanto, o maior C_MOS produz um I_DS maior. Com o aumento adicional da composição de Zr, o aumento de |C_fe| é mais rápido que C_MOS, o que pode fornecer |C_fe| ≥ C_MOS, reduzindo a histerese do NCFET.

Gráficos estatísticos de (a) histerese e (b) I_DS de NCFET de Ge com Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0,33, 0,48 e 0,67).

Conclusões

Os impactos da temperatura de recozimento e da composição de Zr em Hf_1−xZr_xO₂ no desempenho elétrico dos NCFETs de Ge são estudados experimentalmente. As estequiometrias e propriedades ferroelétricas de Hf_1−xZr_xO₂ foram confirmadas por XPS e medições P-V, respectivamente. NCFETs demonstram SS pontual íngreme e I_DS melhorado comparado ao dispositivo de controle, devido ao efeito NC. O V_TH e I_DS dos NCFETs Hf_1−xZr_xO₂ são grandemente afetados pela temperatura de recozimento. Medidas de varredura DC múltiplas mostram que a estabilidade do efeito NC induzido pela camada ferroelétrica é alcançada no NCFET. NCFET Hf_0,67Zr_0,33O₂ pode mais facilmente alcançar características sem histerese do que dispositivos com maior composição de Zr.

Abreviações

Al₂O₃ :

Óxido de alumínio

ALD:

Deposição de camada atômica

BF₂ ⁺ :

Íon fluoreto de boro

DC:

Corrente contínua

Ge:

Germânio

GeO_x :

Óxido de germânio

HF:

Ácido fluorídrico

HfO₂ :

Dióxido de háfnio

HRTEM:

Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução

MOSFETs:

Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

NC:

Capacitância negativa

Ni:

Níquel

SS:

Swing subthreshold

TaN:

Nitreto de tântalo

TDMAHf:

Tetrakis(dimetilamido)háfnio

TDMAZr:

Tetrakis(dimetilamido)zircônio