优化Ge NCFET：Hf₁₋ₓZrₓO₂中Zr含量对性能的影响

摘要

制备并表征了具有不同Zr组分(x = 0.33, 0.48, 0.67)的Hf_1−xZr_xO₂锗(Ge)负电容场效应晶体管(NCFET)。每种Zr组分的NCFET均展现亚阈值摆幅(SS)在某些点的突降，由负电容效应诱导。驱动电流I_DS随退火温度升高而增加，归因于源/漏电阻降低和载流子迁移率改善。陡峭SS点在多次DC扫描测量中可重复且稳定，证明由NC效应诱导。对应陡峭SS的栅极电压V_GS值一致，多次DC扫描保持顺时针I_DS-V_GS回线。固定退火温度下，Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC器件获得较高I_DS但较大滞后；Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET可获得无滞后曲线和高I_DS的优异性能。

背景

在栅极堆叠中插入铁电薄膜的铁电负电容场效应晶体管(NCFET)因能克服传统MOSFET亚阈值摆幅(SS)基本限制，成为低功耗应用的有前景候选者[1]。NCFET中负电容(NC)现象在不同沟道材料中被广泛研究，包括硅(Si)[2,3]、锗(Ge)[4]、锗锡(GeSn)[5]、III-V族[6]和二维材料[7]。NC特性也在各种铁电体NCFET中得到演示，如BiFeO₃[8]、PbZrTiO₃(PZT)[9]、PVDF[10]和Hf_1−xZr_xO₂[11]。与其他铁电体相比，Hf_1−xZr_xO₂具有CMOS兼容集成优势。实验研究表明，通过改变Hf_1−xZr_xO₂厚度和面积可优化NCFET电学性能，影响MOS电容(C_MOS)与铁电电容(C_FE)匹配[12,13]。预期Hf_1−xZr_xO₂中Zr组分也极大影响NCFET性能，因其决定铁电性质。然而，目前仍缺乏Zr组分对NCFET电学特性影响的详细研究。

本文全面研究退火温度和Zr组分对Ge NCFET性能的影响。

方法

图1(a)展示不同Zr组分Hf_1−xZr_xO₂ Ge p沟道NCFET关键制备步骤。栅前清洗后，n-Ge (001)衬底装入原子层沉积(ALD)腔室。沉积薄Al₂O₃(25循环)，随后O₃钝化。然后在同一ALD腔室用[(CH₃)₂N]₄Hf(TDMAHf)、[(CH₃)₂N]₄Zr(TDMAZr)和H₂O分别作为Hf、Zr和O前驱体沉积Hf_1-xZr_xO₂薄膜(x = 0.33, 0.48, 0.67)。之后反应溅射沉积TaN金属栅极。栅极刻蚀后，硼离子(B⁺)以20 keV、1×10¹⁵ cm⁻²注入源/漏(S/D)区。非自对准S/D金属由掀离工艺形成。最后快速热退火(RTA)在不同温度下进行掺杂剂活化、S/D金属化和Hf_1−xZr_xO₂薄膜结晶。对照器件为Al₂O₃/HfO₂堆叠的Ge pMOSFET。

(a) 不同Zr组分Hf_1−xZr_xO₂铁电体Ge NCFET制备关键步骤。(b) 制备NC晶体管示意图。(c) NC器件栅极堆叠HRTEM图像，显示7 nm Hf_0.52Zr_0.48O₂层和2 nm Al₂O₃层。

图1(b)展示制备NCFET示意图。图1(c)高分辨透射电镜(HRTEM)图像显示Hf_0.52Zr_0.48O₂铁电体器件Ge沟道栅极堆叠。Al₂O₃和Hf_0.52Zr_0.48O₂层厚度分别为2 nm和7 nm。

为确认Hf_1−xZr_xO₂化学计量比，进行了X射线光电子能谱(XPS)测量。图2(a)(b)分别显示Hf_0.67Zr_0.33O₂、Hf_0.52Zr_0.48O₂、Hf_0.33Zr_0.67O₂薄膜的Hf4f和Zr3d光电子核能级谱。材料组分基于峰面积比和相应灵敏度因子计算。Zr3d_5/2和Zr3d_3/2两峰自旋轨道劈裂2.4 eV，与文献[14,15]一致。随Hf_1−xZr_xO₂中Zr组分增加，Zr3d和Hf4f峰向低能方向移动。

(a) Hf 4f和(b) Zr 3d不同Zr组分Hf_1−xZr_xO₂样品核能级谱。

通过极化P对驱动电压V滞回环测量表征Hf_1−xZr_xO₂薄膜(x = 0.33, 0.48, 0.66)铁电性质。P-V环在原始器件记录。图3显示不同Zr组分TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10 nm)/TaN样品系列驱动电压下P vs V曲线。后退火温度从500升至550℃时，Hf_1−xZr_xO₂的P-V曲线趋于在子环状态饱和。随Zr组分增加，薄膜剩余极化明显改善，零偏处滞回环变薄，现象学上可描述为叠加反铁电特性[16,17]。

不同Zr组分500和550℃退火Hf_1-xZr_xO₂薄膜测量P-V曲线。(a)(b) Hf_0.67Zr_0.33O₂ 500和550℃。(c)(d) Hf_0.52Zr_0.48O₂ 500和550℃。(e)(f) Hf_0.33Zr_0.67O₂ 500和550℃。退火温度从500升至550℃时，P-V曲线趋于子环饱和。Zr组分增加观察到从铁电向反铁电行为演变。

结果与讨论

图4(a)显示不同退火温度Hf_0.52Zr_0.48O₂铁电体Ge NCFET及Al₂O₃/HfO₂堆叠对照器件传输特性。对照器件500℃退火。所有器件栅长L_G 2 µm。空心和实心符号分别表示正向和反向扫描。NCFET驱动电流远高于对照器件。随退火温度从450升至550℃，NC器件阈值电压V_TH向正V_GS方向偏移。NCFET展现小滞后，随RTA温度升高变得可忽略。陷阱效应也导致滞后，但产生逆时针I_DS-V_GS回线，与铁电开关诱导的顺时针相反[18]。图4(b)点SS vs I_DS曲线显示NC晶体管某些点SS突降，对应NC效应诱导的I_DS突变[19]。观察到NCFET较对照器件获得改善SS特性。不同退火温度下器件突降点一致。不同温度退火Hf_0.52Zr_0.48O₂铁电体NCFET测得I_DS-V_DS曲线见图4(c)。NC晶体管显示明显负微分电阻(NDR)现象，为NC晶体管典型特征[20-23]。图4(d)为Ge NCFET在V_DS = −0.05 V和−0.5 V、|V_GS−V_TH| = 1.0 V下不同退火温度I_DS对比。V_TH定义为I_DS = 10⁻⁷ A/µm时V_GS。I_DS随RTA温度升高增加，归因于更高退火温度下源/漏电阻降低和载流子迁移率改善。

(a) Hf_0.52Zr_0.48O₂铁电体NCFET和对照器件测量I_DS-V_GS曲线。(b) 点SS vs I_DS曲线显示NCFET比对照MOSFET更陡峭SS。(c) NCFET I_DS-V_DS曲线展示典型NDR现象。(d) 栅极过驱动1 V下不同退火温度NCFET I_DS对比。

除Hf_0.52Zr_0.48O₂铁电晶体管外，我们还研究Hf_0.33Zr_0.67O₂铁电体Ge NC晶体管电学特性。图5(a)展示不同退火温度Hf_0.33Zr_0.67O₂器件在V_DS = −0.05 V和−0.5 V下I_DS-V_GS特性。相比Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC晶体管，获得更小滞后。类似地，随退火温度从450升至550℃，V_DS = −0.05 V正向扫描下器件V_TH从−0.63 V增至0.51 V。图5(b)描绘Hf_0.33Zr_0.67O₂铁电体NCFET点SS随I_DS特性。此外，450℃和500℃退火器件比550℃退火晶体管获得更明显SS突降。不同退火温度突降点发生在相同栅极电压。图5(c)展示V_DS = −0.05 V和−0.5 V、|V_GS–V_TH| = 1.0 V下Hf_0.33Zr_0.67O₂ NCFET正反向I_DS。无论正反向扫描，I_DS均随退火温度升高增加，与Hf_0.52Zr_0.48O₂器件特性一致。

(a) 450至550℃退火Hf_0.33Zr_0.67O₂ NC Ge pFET传输特性。(b) Hf_0.33Zr_0.67O₂器件点SS随I_DS特性。(c) 栅极过驱动1 V下不同退火温度铁电NC晶体管I_DS。

我们也研究更小Zr组分Ge NCFET电学性能。图6(a)呈现不同退火温度Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET传输特性。未观察到滞后现象。相比Hf_0.33Zr_0.67O₂和Hf_0.52Zr_0.48O₂器件，变化退火温度诱导的V_TH偏移在Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET中不那么明显。图6(b)点SS vs I_DS曲线显示Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC晶体管在V_DS = −0.05 V下展现某些点SS突降。图6(c)展示V_DS = −0.05 V和−0.5 V、|V_GS–V_TH| = 1.0 V下450℃、500℃、550℃退火Hf_0.67Zr_0.33O₂ Ge NCFET I_DS。同样，I_DS随RTA温度升高增强。

(a) 450℃、500℃、550℃退火Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC Ge pFET测量I_DS-V_GS。(b) 器件点SS vs I_DS特性。(c) 栅极过驱动1 V下不同退火温度铁电NC晶体管I_DS。

通过多次DC扫描测量验证Hf_0.52Zr_0.48O₂ NCFET铁电层诱导NC效应稳定性。图7(a)显示100次DC扫描循环测得I_DS-V_GS曲线。可见对应陡峭SS的V_GS值一致。此外，顺时针I-V回线在多次DC扫描中保持。陡峭SS点在多次DC扫描中可重复稳定，进一步证明由NC效应诱导。图7(b)呈现最佳点SS和驱动电流随扫描循环数变化。图7(c)显示滞后特性随DC扫描循环数变化。观察到稳定I-V滞后窗口~82 mV。

(a) Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC Ge pFET 100次DC扫描循环测量I_DS-V_GS曲线。(b) 最佳点SS和I_DS对循环数。(c) 滞后特性随DC扫描循环数变化。

图8总结不同Zr组分Hf_1−xZr_xO₂ Ge NCFET滞后和驱动电流特性。图8(a)显示V_DS = –0.5 V下x = 0.33, 0.48, 0.67器件滞后值分别为70, 148, 106 mV。组分从0.33增至0.48时NC器件滞后显著增加。Zr组分进一步增加时滞后快速下降。图8(b)绘制450℃退火NCFET I_DS，V_DS = −0.5 V、V_GS−V_TH = −1.0 V。空心和实心分别代表正反向扫描。Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC器件获最高I_DS但滞后严重。Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET可获无滞后曲线和高I_DS优异性能。随Zr组分增加，铁电电容C_fe (= 0.3849*P_r/(E_c*t_fe) [24])随P_r增加而增大，同时因HZO薄膜介电常数增大MOS电容(C_MOS)也上升。器件I_DS和滞后由|C_fe|和C_MOS决定。Zr组分从0.33增至0.48时，|C_fe|增加推测慢于C_MOS，导致滞后扩大。但较大C_MOS产生更高I_DS。Zr组分进一步增加时，|C_fe|增加快于C_MOS，可能提供|C_fe| ≥ C_MOS，减小NCFET滞后。

不同Zr组分Hf_1−xZr_xO₂(x = 0.33, 0.48, 0.67) Ge NCFET统计图：(a) 滞后，(b) I_DS。

结论

实验研究了退火温度和Hf_1−xZr_xO₂中Zr组分对Ge NCFET电学性能的影响。XPS和P-V测量分别确认了Hf_1−xZr_xO₂化学计量比和铁电性质。NCFET因NC效应展现陡峭点SS和改善I_DS优于对照器件。Hf_1−xZr_xO₂ NCFET的V_TH和I_DS深受退火温度影响。多次DC扫描测量显示NCFET中铁电层诱导NC效应稳定性得以实现。Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET比高Zr组分器件更易实现无滞后特性。

缩略语

Al₂O₃ :

氧化铝

ALD:

原子层沉积

BF₂ ⁺ :

氟化硼离子

DC:

直流

Ge:

锗

GeO_x :

氧化锗

HF:

氢氟酸

HfO₂ :

二氧化铪

HRTEM:

高分辨透射电子显微镜

MOSFETs:

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

NC:

负电容

Ni:

镍

SS:

亚阈值摆幅

TaN:

氮化钽

TDMAHf:

四(二甲氨基)铪

TDMAZr:

四(二甲氨基)锆