FET de Capacitância Negativa Baseado em ZrO_x Alcança Subthreshold Swing Sub‑60 mV/dec

Resumo

Relatamos FETs de capacitância negativa (NC) baseados em ZrO_x com subthreshold swing (SS) de 45,06 mV/década sob faixa ±1 V V_GS, abrindo novas oportunidades para futuras aplicações NCFET escaláveis em tensão. O comportamento ferroelétrico dos capacitores Ge/ZrO_x/TaN propõe-se originar de dipolos de vacância de oxigênio. O efeito NC em filmes amorfos de HfO₂ e ZrO_x é comprovado pela queda súbita de vazamento de gate, fenômeno de resistência diferencial negativa (NDR), aumento de I_DS e SS sub-60. NCFETs de 5 nm ZrO_x alcançam histerese horária de 0,24 V, SS < 60 mV/década e aumento de 12% em I_DS comparado a dispositivo controle sem ZrO_x. O efeito NC suprimido em NCFETs Al₂O₃/HfO₂ comparado a ZrO_x NCFET relaciona-se à comutação parcial de dipolos de vacância de oxigênio na varredura direta devido a dipolos interfaciais negativos na interface Al₂O₃/HfO₂.

Contexto

À medida que dispositivos CMOS (complementary metal oxide semiconductor) escalam constantemente, a técnica de circuito integrado (IC) entrou na era "more than Moore". A força motriz da indústria e tecnologia de IC torna-se a redução do consumo de energia, não a miniaturização de transistores. No entanto, a tirania de Boltzmann dos MOSFETs, SS > 60 mV/década, restringe a eficiência energética/potência. Anos recentes, vários dispositivos novos alcançam SS sub-60 mV/década: MOSFETs de ionização por impacto, tunnel FETs e NCFETs. Devido à estrutura simples, SS íngreme e corrente de drive melhorada, NCFETs com filme ferroelétrico (FE) são considerados alternativa atraente entre dispositivos emergentes. Experimentos reportados em NCFETs incluem PbZrTiO₃ (PZT), P(VDF-TrFE) e HfZrO_x (HZO). Porém, alta temperatura de processo e corrente de vazamento de gate indesejada ao longo de fronteiras de grão de materiais ferroelétricos policristalinos restringem seu desenvolvimento para nós de tecnologia de ponta. Recentemente, ferroeletricidade em filmes amorfos de Al₂O₃ e ZrO_x habilitada por dipolos de vacância de oxigênio modulados por tensão foi investigada. Comparados a contrapartes cristalinas, filmes ferroelétricos amorfos têm vantagens significativas em temperatura de processo reduzida e corrente de vazamento. Há muitas pesquisas em FeFETs com isolante de gate amorfo para memória não volátil e aplicações sinapse analógica. Contudo, investigação sistemática em NCFETs de transistor único baseados em ZrO_x não foi realizada.

Neste trabalho, NCFETs de Ge com camada dielétrica ferroelétrica de 5 nm ZrO_x e 5 nm Al₂O₃/HfO₂ foram propostos. Observou-se experimentalmente SS sub-60 mV/década em ZrO_x (5 nm) NCFET, atribuído ao efeito NC da camada ferroelétrica ZrO_x. Analisou-se polarização P em função de tensão aplicada V para capacitores Ge/ZrO_x/TaN. Comportamento ferroelétrico é induzido por dipolos de vacância de oxigênio induzidos por tensão. Atribuiu-se o I_DS melhorado e queda súbita de I_G em Al₂O₃/HfO₂ NCFETs e ZrO_x NCFETs ao efeito NC. Observou-se também fenômeno NDR em ambos. Analisou-se mecanismo físico de dipolos interfaciais induzindo diminuição do efeito NC em Al₂O₃/HfO₂ NCFET. NCFETs ZrO_x com SS sub-60 mV/década, tensão de drain melhorada e baixa tensão de operação adequam-se ao design de NCFETs de baixo consumo na era "more than Moore".

Métodos

Etapas-chave do processo para NCFETs com ZrO_x e Al₂O₃/HfO₂ mostradas na Fig. 1a. Diferentes isolantes dielétricos de gate, incluindo filmes Al₂O₃/HfO₂ amorfo (5 nm) e filmes ZrO_x amorfo (4,2 nm) crescidos em substratos n-Ge (001) por deposição atômica (ALD) a 300 °C. Precursores: TMA, TDMAHf, TDMAZr e vapor H₂O para Al, Hf, Zr e O. Tempo de pulso e purga para precursores de Hf e Zr: 1,6 s e 8 s; para Al: 0,2 s e 8 s. Eletrodo de gate superior TaN depositado por sputtering reativo em superfícies HfO₂ ou ZrO_x. Regiões fonte/dreno (S/D) definidas por litografia e gravação a seco. Após, boro (B⁺) e níquel (Ni) depositados em regiões S/D. Finalmente, recozimento térmico rápido (RTA) a 350 °C por 30 s em ambiente N₂ a 10⁸ Pa. Fig. 1b, d mostram esquemáticos dos Al₂O₃/HfO₂ NCFETs e ZrO_x NCFETs fabricados. Imagens HRTEM em Fig. 1c, e mostram filmes amorfos HfO₂ (5 nm) e ZrO_x (4,2 nm) em Ge (001). Curva C-V de ZrO_x NCFETs e espectros XPS de capacitores TaN/ZrO_x (4,2 nm)/Ge medidos em arquivo adicional.

Resultados e Discussão

Fig. 2a mostra curvas medidas de polarização P vs. tensão aplicada V para capacitores Ge/ZrO_x/TaN a 3,3 kHz. Comprimento de gate (L_G) dos capacitores 8 µm. Polarização remanescente P_r aumenta com maior faixa de varredura de V. Comportamento ferroelétrico do filme amorfo ZrO_x propõe-se originar de dipolos de vacância de oxigênio impulsionados por tensão. Fig. 2b mostra curvas P–V sob diferentes frequências (200–10 kHz). Comportamento ferroelétrico permanece estável para todas frequências, mas P_r reduz com aumento de frequência, explicado por comutação incompleta de dipolos sob altas frequências de medição. À medida que frequência aumenta, tempo para mudança de direção do campo elétrico no filme ZrO_x diminui, parte da comutação de dipolos de vacância de oxigênio fica incompleta, reduzindo P_r.

Fig. 3a mostra curvas I_DS–V_GS de Al₂O₃/HfO₂ NCFET a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. L_G = 3 µm. Laços de histerese horária de 0,14 V (V_DS = −0,05 V, I_ds = 1 nA/µm) e 0,08 V (V_DS = −0,5 V, I_ds = 1 nA/µm). Laços horários atribuídos à migração de vacâncias de oxigênio e cargas negativas associadas. Dipolos de vacância de oxigênio acumulam (esgotam) na interface Ge/Al₂O₃ sob V_GS positivo (negativo). Portanto, tensão de limiar (V_TH) aumenta (diminui) na varredura direta (reversa) de tensões de gate. Fig. 3b compara características de saída do Al₂O₃/HfO₂ NCFET e FET controle. Corrente de saturação do NCFET excede 26 µA/µm, aumento de 23% comparado ao controle a |V_GS–V_TH| = |V_DS| = 0,8 V. Aumento de corrente induzido por intensidade de carga de inversão (Q_inv) aumentada no campo elétrico de polarização reversa e amplificação de potencial de superfície. Além do aumento de corrente, NDR óbvio prova efeito NC do filme HfO₂ amorfo. Efeito NDR causado por comutação incompleta de dipolos de vacância de oxigênio devido ao acoplamento drain-canal com aumento de V_DS. Fig. 3c compara curvas de vazamento de gate I_G–V_GS para 5 nm Al₂O₃/HfO₂ NCFET a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. Quedas súbitas de I_G apenas na varredura reversa indicam tensão diminuída no filme HfO₂ amorfo e amplificação de potencial de superfície. Ausência de efeito NC na varredura direta causada por comutação parcial de dipolos de vacância de oxigênio no filme HfO₂ amorfo. Diferente capacidade de conter átomos de oxigênio entre camadas Al₂O₃ e HfO₂ leva a redistribuição de oxigênio e dipolos interfaciais negativos na interface Al₂O₃/HfO₂. Devido à presença de dipolos interfaciais negativos, difícil para filme HfO₂ amorfo realizar comutação completa de polarização (efeito NC) na varredura direta.

Fig. 4a mostra curvas de transferência de ZrO_x NCFET a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. L_G = 4 µm. Laços de histerese horária de 0,24 V (V_DS = −0,05 V, I_ds = 1 nA/µm) e 0,14 V (V_DS = −0,5 V, I_DS = 1 nA/µm). Fig. 4b compara características de saída do ZrO_x NCFET e FET controle. Corrente de saturação do ZrO_x NCFET excede 30 µA/µm, aumento de 12% comparado ao controle a |V_GS–V_TH| = |V_DS| = 1 V. Aumento de corrente melhorado e NDR mais óbvio indicam efeito NC aprimorado do filme ZrO_x amorfo (5 nm) comparado a filme HfO₂ (5 nm). Fig. 4c compara curvas I_G–V_GS para 5 nm ZrO_x NCFET a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. Comparado a quedas súbitas de I_G apenas na varredura reversa no Al₂O₃/HfO₂ NCFET (Fig. 3c), quedas súbitas de I_G tanto na varredura direta quanto reversa na Fig. 4c também provam efeito NC aprimorado no filme ZrO_x amorfo.

Fig. 5a, b mostram SS pontual como função de I_DS para Al₂O₃/HfO₂ e ZrO_x NCFET a V_DS = −0,05 V e −0,5 V. Na Fig. 5b, SS sub-60 mV/década alcançado durante varredura direta ou reversa de V_GS a ambos V_DS. A V_DS = −0,05 V: SS direto pontual 45,1 mV/dec, SS reverso 55,2 mV/dec. A V_DS = −0,5 V: SS direto 51,16 mV/dec, SS reverso 46,52 mV/dec. Devido à diferente capacidade de efeito de limpeza (scavenging) das camadas Al₂O₃/HfO₂ e ZrO_x, comutação parcial de dipolos ocorre no Al₂O₃/HfO₂ NCFET. Portanto, efeito NC mais óbvio com SS sub-60 mV/década alcançado em 5 nm ZrO_x NCFET.

Conclusões

Demonstramos FETs p-type de capacitância negativa ferroelétrica ZrO_x com SS sub-60 mV/década, baixa tensão de operação de 1 V e histerese < 60 mV. O impacto dos filmes ZrO_x amorfos no comportamento ferroelétrico é explicado por dipolos de vacância de oxigênio. I_DS melhorado e fenômeno NDR também obtidos em Al₂O₃/HfO₂ NCFETs e ZrO_x NCFETs comparados a dispositivo controle. Efeito NC suprimido do Al₂O₃/HfO₂ NCFET atribuído a comutação parcial de dipolos devido a dipolos interfaciais na interface Al₂O₃/HfO₂. NCFETs ZrO_x com SS íngreme sub-60 mV/década, tensão de drain melhorada e baixa tensão de operação abrem novo caminho para futuro design de NCFETs de baixo consumo.