ZrO_xベース負容量FETがサブ60 mV/decサブスレッショルドスイングを達成

概要

ここでは、±1 VのV_GS範囲で45.06 mV/decadeのサブスレッショルドスイング(SS)を達成するZrO_xベース負容量(NC)FETを報告する。これは将来の電圧スケーラブルNCFET応用に新たな機会をもたらす。Ge/ZrO_x/TaNキャパシタの強誘電体様振る舞いは、酸素空孔ダイポールに起因すると提案される。アモルファスHfO₂とZrO_x膜デバイスのNC効果は、ゲートリークの急激な低下、負微分抵抗(NDR)現象、I_DS増強、サブ60サブスレッショルドスイングによって証明できる。5 nm ZrO_xベースNCFETは、ZrO_xなしの制御デバイスと比較して0.24 Vの時計回りヒステリシス、60 mV/decade未満のSS、12%のI_DS増強を達成。Al₂O₃/HfO₂ NCFETの抑制されたNC効果は、Al₂O₃/HfO₂界面の負界面ダイポールによる順スイープ時の酸素空孔ダイポールの部分的スイッチングに関連する。

背景

相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスの微細化が進むにつれ、集積回路(IC)技術は「モアザンムーア時代」に突入した。IC産業と技術の推進力は、トランジスタの微細化ではなく消費電力削減になった[1, 2]。しかし、MOSFETのボルツマンの暴政である60 mV/decade以上のSSがエネルギー/電力効率を制限している[3]。近年、インパクトイオン化MOSFET、トンネルFET、NCFETなど、サブ60 mV/decadeスレッショルドスイング達成能力を持つ多くの新デバイスが提案されている[4-7]。シンプルな構造、急峻なSS、ドライブ電流向上により、強誘電体(FE)膜を持つNCFETはこれら新興デバイスの中で魅力的な代替案と見なされている[8-10]。NCFETに関する報告実験は主にPbZrTiO₃(PZT)、P(VDF-TrFE)、HfZrO_x(HZO)を含む[11-17]。しかし、多結晶強誘電体材料の粒界に沿った高プロセス温度と望ましくないゲートリーク電流が、最先端技術ノードへの開発を制限している[18-26]。最近、電圧変調酸素空孔ダイポールにより実現されるアモルファスAl₂O₃とZrO_x膜の強誘電性が調査されている[27-29]。結晶対応物と比較して、アモルファス強誘電体様膜はプロセス温度低減とリーク電流低減で大きな利点を持つ。したがって、非揮発性メモリとアナログシナプス応用向けのアモルファスゲート絶縁体FeFETに関する大量研究がある[27, 30-34]。しかし、ワントランジスタZrO_xベースNCFETの体系的調査は行われていない。

本研究では、5 nm ZrO_x強誘電体誘電体層と5 nm Al₂O₃/HfO₂強誘電体誘電体層を持つGe NCFETをそれぞれ提案。ZrO_x(5 nm) NCFETでサブ60 mV/decade急峻スロープを実験的に観察し、これはZrO_x強誘電体層のNC効果に起因する。また、Ge/ZrO_x/TaNキャパシタの印加電圧Vに対する分極Pを解析。Ge/ZrO_x/TaNキャパシタの強誘電体様振る舞いは電圧誘起酸素空孔ダイポールによって誘発される。さらに、Al₂O₃/HfO₂ NCFETとZrO_x NCFETのI_DS改善とI_G急激低下をNC効果に帰属。Al₂O₃/HfO₂ NCFETとZrO_x NCFETでNDR現象も観察。さらに、界面ダイポール誘起によるAl₂O₃/HfO₂ NCFETのNC効果減少の物理機構を分析。サブ60 mV/decade急峻スロープ、改善されたドレイン電圧、低動作電圧を持つZrO_x NCFETは、「モアザンムーア時代」の低消費電力NCFET設計に適する。

手法

ZrO_xとAl₂O₃/HfO₂を用いたNCFETの主要プロセスステップを図1aに示す。n-Ge(001)基板上に、Al₂O₃/アモルファスHfO₂(5 nm)膜とアモルファスZrO_x(4.2 nm)膜を含む異なるゲート誘電体絶縁膜を、300℃で原子層堆積(ALD)により成長。TMA、TDMAHf、TDMAZr、H₂O蒸気をAl、Hf、Zr、Oの前駆体として使用。HfとZr前駆体のパルス時間とパージ時間はそれぞれ1.6 sと8 s。Al前駆体のパルス時間とパージ時間はそれぞれ0.2 sと8 s。その後、TaNトップゲート電極をHfO₂またはZrO_x表面に反応性スパッタリングで堆積。ソース/ドレイン(S/D)領域をリソグラフィパターニングとドライエッチングで定義。その後、S/D領域にボロン(B⁺)とニッケル(Ni)を堆積。最後に、10⁸ Pa窒素雰囲気下で350℃、30秒の急速熱アニール(RTA)を実施。図1b, dに作製Al₂O₃/HfO₂ NCFETとZrO_x NCFETの模式図を示す。図1cの高分解能透過電子顕微鏡(HRTEM)像は、Al₂O₃界面層を持つGe(001)上のアモルファスHfO₂(5 nm)膜を描写。図1eのHRTEM像は、Ge(001)上のアモルファスZrO_x(4.2 nm)膜を描写。ZrO_x NCFETのC-V曲線とTaN/ZrO_x(4.2 nm)/GeキャパシタのX線光電子分光(XPS)スペクトルを追加ファイル1：Fig. S1に測定。

ZrO sub x /sub ベース負容量FETがサブ60 mV/decサブスレッショルドスイングを達成 — a Al₂O₃/5 nm HfO₂ NCFETと4.2 nm ZrO_x NCFETの作製主要プロセスステップ。b 模式図とc 作製ZrO_x NCFETのHRTEM像。d 模式図とe 作製Al₂O₃/HfO₂ NCFETのHRTEM像

結果と考察

図2aは、3.3 kHzでのGe/ZrO_x/TaNキャパシタの分極P対印加電圧V特性の測定曲線を示す。キャパシタのゲート長(L_G)は8 μm。残留分極P_rがVのスイープ範囲拡大で増強されることが観察される。図2aのアモルファスZrO_x膜の強誘電体様振る舞いは、電圧駆動酸素空孔ダイポールに起因すると提案[35]。図2bは、200–10 kHzの異なる周波数でのGe/ZrO_x/TaNキャパシタの測定P-V曲線を示す。アモルファスZrO_x膜の強誘電体様振る舞いがすべての周波数で安定していることがわかる。しかし、アモルファスZrO_x膜のP_rは周波数増加とともに減少。この現象は、高測定周波数下での不完全なダイポールスイッチングで説明可能[36, 37]。測定周波数増加に伴い、アモルファスZrO_x膜内の電場方向変化時間が減少。したがって、酸素空孔ダイポールスイッチングの一部が不完全となり、P_r減少につながる。

図3aは、V_DS = −0.05 Vと−0.5 Vでの強誘電体Al₂O₃/HfO₂ NCFETの測定I_DS–V_GS曲線を示す。デバイスのL_Gは3 μm。それぞれV_DS = −0.05 V（I_ds = 1 nA/μm）で0.14 V、V_DS = −0.5 V（I_ds = 1 nA/μm）で0.08 Vの時計回りヒステリシスループを示す。時計回りヒステリシスループは、酸素空孔移動と伴う負電荷に起因。酸素空孔ダイポールは正(負)V_GS下でGe/Al₂O₃界面に蓄積(枯渇)。したがって、順(逆)スイープでゲート電圧を掃くと閾値電圧(V_TH)が増加(減少)。図3bに示す通り、Al₂O₃/HfO₂ NCFETと制御FETの出力特性を比較。Al₂O₃/HfO₂ NCFETの飽和電流は26 μA/μm超で、|V_GS−V_TH| = |V_DS| = 0.8 Vで制御FET比23%上昇。電流増強は逆分極電場での反転電荷強度(Q_inv)増加と表面電位増幅による[38, 39]。電流増強に加え、明確なNDRがアモルファスHfO₂膜のNC効果を証明。NDR効果は、V_DS増加に伴うドレイン-チャネル結合による酸素空孔ダイポールの不完全スイッチングが原因[40, 41]。図3cは、V_DS = −0.05 Vと−0.5 Vでの5 nm Al₂O₃/HfO₂ NCFETの測定ゲートリークI_G–V_GS曲線を比較。逆スイープ時のみのI_G急激低下は、アモルファスHfO₂膜内電圧低下と表面電位増幅を示す[42]。順スイープ時のNC効果不在は、アモルファスHfO₂膜内酸素空孔ダイポールの部分的スイッチングによる[43]。Al₂O₃とHfO₂層の酸素保持能力差が酸素再分配とAl₂O₃/HfO₂界面負界面ダイポールを導く[44, 45]。負界面ダイポール存在により、順スイープ(追加ファイル1)でアモルファスHfO₂膜が完全分極スイッチング(NC効果)を実現困難。

図4aは、V_DS = −0.05 Vと−0.5 Vでの強誘電体ZrO_x NCFETの測定伝達曲線を示す。2デバイスのL_Gは4 μm。それぞれV_DS = −0.05 V（I_ds = 1 nA/μm）で0.24 V、V_DS = −0.5 V（I_DS = 1 nA/μm）で0.14 Vの時計回りヒステリシスループを示す。図4bに示す通り、ZrO_x NCFETと制御FETの出力特性を比較。ZrO_x NCFETの飽和電流は30 μA/μm超で、|V_GS−V_TH| = |V_DS| = 1 Vで制御FET比12%上昇。改善された電流増強とより明確なNDRは、5 nm HfO₂膜と対比してアモルファスZrO_x膜(5 nm)のNC効果増強を示す。図4cは、V_DS = −0.05 Vと−0.5 Vでの5 nm ZrO_x NCFETの測定ゲートリークI_G–V_GS曲線を比較。図3cのAl₂O₃/HfO₂ NCFETでは逆スイープ時のみの急激なI_G低下だったが、図4cでは順スイープと逆スイープ両方でI_G急激低下が見られ、アモルファスZrO_x膜でのNC効果増強を証明。

図5a, bは、V_DS = −0.05 Vと−0.5 VでのAl₂O₃/HfO₂とZrO_x NCFETのI_DS関数としてのポイントSSを示す。図5bより、V_DS = −0.05 Vと−0.5 Vで、V_GSの順スイープまたは逆スイープ時にサブ60 mV/decadeサブスレッショルドスイング(SS)達成可能。V_DS = −0.05 V時、ポイント順SS 45.1 mV/dec、ポイント逆SS 55.2 mV/dec達成。V_DS = −0.5 V時、ポイント順SS 51.16 mV/dec、ポイント逆SS 46.52 mV/dec達成。Al₂O₃/HfO₂とZrO_x層のスカベンジング効果能力差により、Al₂O₃/HfO₂ NCFETで部分的ダイポールスイッチングが生じる。したがって、5 nm ZrO_x NCFETでサブ60 mV/decade SSを伴うより明確なNC効果達成。

結論

サブ60 mV/decade SS、1 V低動作電圧、60 mV未満ヒステリシスを持つ強誘電体NC ZrO_x pFETを実証。アモルファスZrO_x膜の強誘電体振る舞いへの影響を酸素空孔ダイポールで説明。Al₂O₃/HfO₂ NCFETとZrO_x NCFETで、制御デバイス比較で改善されたI_DSとNDR現象も取得。Al₂O₃/HfO₂ NCFETの抑制されたNC効果は、Al₂O₃/HfO₂界面の界面ダイポールによる部分的ダイポールスイッチングに起因。サブ60 mV/decade急峻スロープ、改善されたドレイン電圧、低動作電圧を持つZrO_x NCFETは、将来の低消費電力NCFET設計への新たな道を開く。