跨MOS电容负电容FET比较分析

摘要

实验演示了基于HfZrOₓ的场效应晶体管（FET）负电容（NC）效应。与对照金属氧化物半导体（MOS）FET相比，NCFET的I_DS、SS和G_m均得到改善。实验中，不同钝化时间的底部MIS晶体管等效于不同MOS电容的NC器件。40 min钝化的NCFET电学性能优于60 min钝化器件，归因于C_FE与C_MOS良好匹配。虽未实现亚60 mV/decade SS，但获得了利于逻辑应用的无滞后传输特性。

引言

晶体管尺寸缩小推动集成电路（IC）集成度持续提升，伴随而来的功耗问题亟待解决。降低晶体管工作电压是规避该问题的关键。室温下MOSFET亚阈值摆幅（SS）无法低于60 mV/decade，限制了阈值电压V_TH和供电电压V_DD的降低。为突破玻尔兹曼极限，众多新型传输与开关机制器件被研究，包括负电容FET（NCFET）、电阻栅FET、纳米机电FET（NEMFET）、撞击电离MOS（I-MOS）、隧穿FET等。NCFET因可在不损失驱动电流前提下实现陡峭SS而备受关注。掺杂HfO₂（如HfZrOₓ (HZO)和HfSiOₓ）广泛用于NCFET，兼容CMOS工艺。理论研究表明NCFET中铁电电容C_FE与底层MOS电容C_MOS失配导致非期望滞后。但C_FE与C_MOS匹配度对NCFET电学特性的实验影响仍待探明。

本工作基于C_FE与C_MOS不同匹配度，研究不同MOS电容下NC Ge FET电学特性。虽未出现<60 mV/decade SS，但获得无滞后传输特性与更优电学性能。C_FE-V_FE曲线明显峰值证明HZO基NCFET的NC效应。C_FE与C_MOS更好匹配贡献更陡峭SS和更大导通电流，有利于逻辑应用。

方法

Ge NCFET关键制备工艺见图1a。四英寸n-Ge(001)晶圆（电阻率0.088–0.14 Ω·cm）为起始衬底。栅极前清洗后，超高真空腔室中用Si₂H₆进行表面钝化，采用40 min和60 min两种钝化时长。随后沉积TaN/HZO/TaN/HfO₂堆叠层。HfO₂介质层和HZO铁电层厚度分别为4.35 nm和4.5 nm。栅极图案刻蚀后，源/漏（S/D）区硼离子（B⁺）注入（30 keV，1×10¹⁵ cm⁻²）。S/D金属镍经剥离工艺形成。最后450 °C快速热退火30 s。对照MOSFET采用TaN/HfO₂堆叠制备。图1b、c为制备NCFET和对照MOSFET示意图。制备NCFET内部金属栅极对抗沟道表面电位，称为MFMIS结构。

结果与讨论

图2a绘制40 min钝化NCFET与对照MOSFET测得I_DS-V_GS曲线（栅长L_G=3.5 µm）。40钝化NC器件I_DS显著优于对照MOSFET。NCFET传输曲线呈无滞后特征。图2b点SS-I_DS曲线显示NC晶体管SS优于对照器件，虽未现亚60 mV/decade SS。图2c显示V_DS=-0.05 V下NC晶体管线性跨导G_m显著高于对照器件。图3对比60 min钝化NCFET与对照MOSFET电学性能，同样NCFET的I_DS、点SS和G_m优于对照器件。

图4a统计V_DS=-0.05 V、V_GS-V_TH=-1.0 V下驱动电流。40 min和60 min钝化NCFET较对照器件I_DS分别提升35.6%和18.7%。推测40 min钝化NCFET C_MOS与C_FE匹配度优于60 min器件。图4b显示最大跨导G_m,max分别提升51.3%和26.4%。40 min钝化对照MOSFET I_DS和G_m,max高于60 min器件，因较小等效氧化层厚度（EOT）诱导更大C_MOS。内部金属栅提供等势面，器件等效为电容分压模型。总电容C_G为C_FE与C_MOS串联。内部栅极电压因NC效应放大。内部电压放大系数β=|C_FE|/(|C_FE|-C_MOS)在|C_MOS|=|C_FE|时最大化。实现C_FE与C_MOS优化匹配是提升导通电流前提。

图5a展示提取内部电压V_int随栅压V_GS变化曲线。假设NC晶体管I_DS-V_int曲线与对照器件I_DS-V_GS曲线完全一致，可提取NC晶体管V_int。图5b内部电压放大系数dV_int/dV_GS曲线显示：40 min钝化NCFET在宽V_GS扫描范围内实现dV_int/dV_GS>1，导致测量过程中SS比对照器件更陡峭，归因于局域极化翻转。这与图2b结果一致。60 min钝化NCFET在V_GS<0 V范围双向扫描中实现dV_int/dV_GS>1，与图3b中SS升高一致。

图6a基于图5a V_int-V_GS和对照MOSFET C_G-V_GS曲线提取NC晶体管C_MOS-V_GS曲线，与实测C_G吻合，验证计算方法有效性。图6b描绘C_FE与C_MOS随V_FE变化曲线。从NC效应起始，双向V_GS扫描全程铁电负电容绝对值|C_FE|均超C_MOS。|C_FE|>C_MOS且C_FE<0可导致无滞后特性，C_MOS与C_FE匹配有利于逻辑应用。图2a和3a观测到的无滞后特性归因于所有畴匹配与抑制电荷捕获。稳定极化翻转负责无滞后特性。此外，40 min钝化NCFET C_FE与C_MOS匹配度优于60 min器件，直接证实前者电学性能更优。铁电极化改变V_FE，致使铁电电荷变化。总电荷除V_GS增量外，还因铁电极化而倍增。即给定V_GS下沟道电荷增加，I_DS改善，实验中出现陡峭SS传输特性。

结论

40 min和60 min钝化NCFET均获得无滞后传输特性。实验中40 min钝化NC Ge pFET电学特性优于60 min器件。演示了HZO基NCFET的NC效应。NCFET实现陡峭SS和dV_int/dV_GS>1。40 min钝化NCFET实现C_FE与C_MOS良好匹配，导致无滞后特性。不同NC行为被认为与铁电薄膜微观畴壁翻转有关。

数据与材料可用性

支持本文结论的数据集包含于文中。

缩略语

B⁺

硼离子

EOT

等效氧化层厚度

FETs

场效应晶体管

HZO

HfZrOₓ

IC

集成电路

I-MOS

撞击电离金属氧化物半导体

MOS

金属氧化物半导体

NC

负电容

NCFET

负电容场效应晶体管

NEMFET

纳米机电FET

S/D

源/漏

SS

亚阈值摆幅