Ge NCFETの最適化：Hf_1−xZr_xO₂中のZrレベルが性能に与える影響

背景

ゲートスタックに強誘電体膜を挿入した強誘電負容量電界効果トランジスタ（NCFET）は、従来の金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）のサブスレッショルドスイング（SS）の根本的制限を克服できるため、低消費電力アプリケーションの有望な候補である。NCFETにおける負容量（NC）現象は、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ゲルマニウム-スズ（GeSn）、III-V族、2D材料など、様々なチャネル材料で広く研究されてきた。また、BiFeO₃、PbZrTiO₃（PZT）、PVDF、Hf_1−xZr_xO₂など、様々な強誘電体を用いたNCFETでNC特性が実証されている。他の強誘電体と比較して、Hf_1−xZr_xO₂はCMOSプロセスとの互換性という利点を持つ。実験的研究では、Hf_1−xZr_xO₂の厚みと面積を変えることで、MOS容量（C_MOS）と強誘電容量（C_FE）のマッチングに影響し、NCFETの電気的性能を最適化できることが示されている。Hf_1−xZr_xO₂中のZr組成も強誘電特性を決定するため、NCFET性能に大きな影響を与えると期待される。しかし、Zr組成がNCFETの電気的特性に与える影響についての詳細な研究はまだ不足している。

本論文では、アニール温度とZr組成がGe NCFETの性能に与える影響を包括的に研究する。

手法

Hf_1−xZr_xO₂中の異なるZr組成を持つGe pチャネルNCFETの作製主要工程を図1(a)に示す。プレゲート洗浄後、n-Ge（001）基板を原子層堆積（ALD）チャンバーにロード。薄いAl₂O₃（25サイクル）膜を堆積し、その後O₃パッシベーションを実施。続いて、同一ALDチャンバーで[(CH₃)₂N]₄Hf（TDMAHf）、[(CH₃)₂N]₄Zr（TDMAZr）、H₂OをそれぞれHf、Zr、O前駆体として用い、Hf_1-xZr_xO₂膜（x = 0.33, 0.48, 0.67）を堆積。その後、反応性スパッタリングでTaNメタルゲートを堆積。ゲートパターニングとエッチング後、ボロンイオン（B⁺）を20 keV、1×10¹⁵ cm⁻²のドーズでソース/ドレイン（S/D）領域に注入。非自己整合S/Dメタルをリフトオフプロセスで形成。最後に、ドーパント活性化、S/Dメタライゼーション、Hf_1−xZr_xO₂膜の結晶化のため、様々な温度で急速熱アニーリング（RTA）を実施。Al₂O₃/HfO₂スタックを持つGe制御pMOSFETも作製。

Hf_1−xZr_xO₂の化学量論を確認するため、X線光電子分光（XPS）測定を実施。図2(a)(b)は、Hf_0.67Zr_0.33O₂、Hf_0.52Zr_0.48O₂、Hf_0.33Zr_0.67O₂膜のHf4fとZr3d光電子コアレベルスペクトルを示す。材料組成はピーク面積比と対応する感度係数から計算。Zr3d_5/2とZr3d_3/2の2つのピークは2.4 eVのスピン軌道分裂を持ち、文献[14, 15]と整合。Hf_1−xZr_xO₂中のZr組成増加に伴い、Zr3dとHf4fピークは低エネルギー方向へシフトする。

Hf_1−xZr_xO₂膜（x = 0.33, 0.48, 0.66）の強誘電特性を、分極P対駆動電圧Vヒステリシスループ測定で評価。P-Vループはプリスティンデバイスで記録。図3は、一連の駆動電圧でのTaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 nm)/TaNサンプルのP対V曲線を示す。後アニール温度が500から550℃に上昇すると、Hf_1−xZr_xO₂のP-V曲線はサブループ状態で飽和傾向を示す。Zr組成増加に伴い、残留分極が明確に改善し、ゼロバイアスでのヒステリシスループの薄化が観察され、これは重ね合わせ反強誘電体的特性として現象論的に最もよく記述される[16, 17]。

結果と考察

図4(a)は、異なるアニール温度でのHf_0.52Zr_0.48O₂強誘電体を持つGe NCFETと、Al₂O₃/HfO₂スタック誘電体を持つ制御デバイスの測定伝達特性を示す。制御デバイスは500℃でアニール。すべてのデバイスのゲート長L_Gは2 µm。順方向と逆方向スイープをそれぞれ空白と実心記号で示す。NCFETは制御デバイスと比較してはるかに高いドライブ電流を示す。アニール温度が450から550℃に上昇するにつれ、NCデバイスの閾値電圧V_THが正のV_GS方向へシフトする。NCFETは小さなヒステリシスを示し、RTA温度上昇とともに無視できるレベルになる。トラッピング効果もヒステリシスを生じるが、それは反時計回りのI_DS-V_GSループを生成し、強誘電体スイッチングによる結果とは逆になる[18]。図4(b)のポイントSS対I_DS曲線は、NCトランジスタがNC効果により誘起されるI_DSの急激な変化に対応するSSのポイントでの急激な低下を示す[19]。NCFETが制御デバイスと比較して改善されたSS特性を達成することが観察される。デバイスの急激な低下ポイントが異なるアニール温度で一貫していることがわかった。Hf_0.52Zr_0.48O₂強誘電体を持つNCFETの測定I_DS-V_DS曲線を図4(c)に示す。NCトランジスタのI_DS-V_DS曲線は明確なNDR現象を示し、これはNCトランジスタの典型的特性である[20,21,22,23]。図4(d)は、ゲートオーバードライブ1 Vにおける、450、500、550℃でアニールしたHf_0.52Zr_0.48O₂強誘電体層を持つGe NCFETのI_DS比較プロット（V_DS = −0.05 Vおよび−0.5 V、|V_GS−V_TH| = 1.0 V）。ここではV_THをI_DS = 10⁻⁷ A/µmでのV_GSと定義。I_DSはRTA温度上昇とともに増加し、これはより高いアニール温度でのソース/ドレイン抵抗低減とキャリア移動度改善によるもの。

Hf_0.52Zr_0.48O₂強誘電体トランジスタに加え、Hf_0.33Zr_0.67O₂強誘電体を持つGe NCトランジスタの電気的特性も調査。図5(a)は、450から550℃の異なるアニール温度でのHf_0.33Zr_0.67O₂デバイスのI_DS-V_GS特性を示す（V_DS = −0.05 Vおよび−0.5 V）。Hf_0.52Zr_0.48O₂NCトランジスタと比較して、さらに小さなヒステリシスが得られる。Hf_0.52Zr_0.48O₂NCトランジスタと同様に、アニール温度が450から550℃に上昇すると、V_DS = −0.05 Vでの順方向スイープでデバイスのV_THが−0.63 Vから0.51 Vに増加。Hf_0.33Zr_0.67O₂強誘電体NCFETのI_DS関数としてのポイントSS特性を図5(b)に描画。さらに、450℃と500℃アニールのデバイスが、550℃アニールトランジスタと比較してより明確なSS急降下を得る。異なるアニール温度での急降下ポイントは同じゲート電圧で発生。図5(c)は、ゲートオーバードライブ1 VにおけるHf_0.33Zr_0.67O₂NCFETの順方向および逆方向I_DSを示す（V_DS = −0.05 Vおよび−0.5 V、|V_GS–V_TH| = 1.0 V）。順方向・逆方向いずれのスイープでも、I_DSはアニール温度上昇とともに増加し、Hf_0.52Zr_0.48O₂デバイスの特性と整合する。

より小さなZr組成を持つGe NCFETの電気的性能も調査。Hf_0.67Zr_0.33O₂NCFETの異なるアニール温度での伝達特性を図6(a)に示す。ヒステリシス現象は観察されない。Hf_0.33Zr_0.67O₂とHf_0.52Zr_0.48O₂デバイスと比較して、アニール温度変化によるV_THシフトはHf_0.67Zr_0.33O₂NCFETで weniger 顕著。図6(b)のポイントSS対I_DS曲線は、Hf_0.67Zr_0.33O₂NCトランジスタがV_DS = −0.05 VでNCトランジスタのSSポイントでの急降下を示す。図6(c)は、ゲートオーバードライブ1 Vにおける450℃、500℃、550℃でアニールしたHf_0.67Zr_0.33O₂Ge NCFETのI_DSを示す（V_DS = −0.05 Vおよび−0.5 V、|V_GS–V_TH| = 1.0 V）。同様に、I_DSはRTA温度上昇とともに増加。

Hf_0.52Zr_0.48O₂NCFETの強誘電体層によるNC効果の安定性を、複数回DCスイープ測定で検証。100サイクルのDCスイープでの測定I_DS-V_GS曲線を図7(a)に示す。急峻なSSに対応するV_GSの値が一貫していることがわかる。さらに、時計回りのI-Vループが複数回DCスイープで維持される。急峻なSSポイントは複数回DCスイープで再現性と安定性があり、これがNC効果によるものであることをさらに証明。図7(b)はスイープサイクル数に対する最良ポイントSSとドライブ電流を示す。図7(c)はDCスイープサイクル数関数としてのヒステリシス特性を示す。安定したI-Vヒステリシスウィンドウ約82 mVが観察される。

Hf_1−xZr_xO₂中の異なるZr組成を持つGe NCFETのヒステリシスとドライブ電流特性を図8にまとめる。図8(a)に示すように、V_DS = −0.5 Vでのヒステリシス値は、x = 0.33, 0.48, 0.67のデバイスでそれぞれ70, 148, 106 mV。組成が0.33から0.48に増加すると、NCデバイスのヒステリシスが大幅に増加。さらにZr組成を増加させると、ヒステリシスが急速に減少。図8(b)は450℃アニールのNCFETのI_DSをプロット（V_DS = −0.5 V、V_GS−V_TH = −1.0 V）。空白と実心は順方向と逆方向スイープ。Hf_0.52Zr_0.48O₂のNCデバイスが最高のI_DSを達成するが、ヒステリシスが深刻。Hf_0.67Zr_0.33O₂のNCFETは、ヒステリシスフリーな曲線と高いI_DSで優れた性能を得られる。Zr組成増加に伴い、強誘電容量C_fe（= 0.3849*P_r/(E_c*t_fe) [24]）はP_r増加とともに増加し、同時にHZO膜の誘電率増加によりMOS容量（C_MOS）も上昇。I_DSとヒステリシスはトランジスタの|C_fe|とC_MOSによって決定される。Zr組成が0.33から0.48に増加すると、|C_fe|の増加はC_MOSより遅いと推測され、ヒステリシス拡大をもたらす。しかし、より大きなC_MOSがより高いI_DSを生成。さらにZr組成を増加させると、|C_fe|の増加がC_MOSより速くなり、|C_fe| ≥ C_MOSを提供する可能性があり、NCFETのヒステリシスを低減する。

結論

Hf_1−xZr_xO₂中のアニール温度とZr組成がGe NCFETの電気的性能に与える影響を実験的に研究した。Hf_1−xZr_xO₂の化学量論と強誘電特性は、それぞれXPSとP-V測定で確認。NCFETはNC効果により、制御デバイスと比較して急峻なポイントSSと改善されたI_DSを示す。Hf_1−xZr_xO₂NCFETのV_THとI_DSはアニール温度に大きく影響される。複数回DCスイープ測定により、強誘電体層によるNC効果の安定性がNCFETで達成されることを示した。Hf_0.67Zr_0.33O₂NCFETは、より高いZr組成のデバイスよりもヒステリシスフリー特性をより容易に達成できる。

略語

Al₂O₃ :

酸化アルミニウム

ALD:

原子層堆積

BF₂ ⁺ :

フッ化ホウ素イオン

DC:

直流

Ge:

ゲルマニウム

GeO_x :

酸化ゲルマニウム

HF:

フッ化水素酸

HfO₂ :

二酸化ハフニウム

HRTEM:

高分解能透過型電子顕微鏡

MOSFETs:

金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ

NC:

負容量

Ni:

ニッケル

SS:

サブスレッショルドスイング

TaN:

窒化タンタル

TDMAHf:

テトラキス(ジメチルアミド)ハフニウム

TDMAZr:

テトラキス(ジメチルアミド)ジルコニウム