基于 ZrOₓ 的负电容 FET 实现亚 60 mV/dec 亚阈值摆幅

摘要

本文报道基于 ZrOₓ 的负电容（NC）FET，在 ±1 V V_GS 范围内实现 45.06 mV/dec 亚阈值摆幅（SS），为未来电压可缩放 NCFET 应用开辟新机遇。Ge/ZrOₓ/TaN 电容的铁电类行为源于氧空位偶极子。非晶 HfO₂ 和 ZrOₓ 薄膜器件的 NC 效应可通过栅极漏电突然下降、负差分电阻（NDR）现象、I_DS 增强及亚 60 mV/dec SS 得到验证。5 nm ZrOₓ NCFET 表现出 0.24 V 顺时针磁滞、亚 60 mV/dec SS 及比无 ZrOₓ 对照器件高 12% 的 I_DS。Al₂O₃/HfO₂ NCFET 的 NC 效应受抑制，归因于 Al₂O₃/HfO₂ 界面负界面偶极子导致正向扫描中氧空位偶极子仅部分翻转。

背景

随着 CMOS 器件持续缩放，IC 技术进入“后摩尔时代”，驱动力从晶体管微型化转向降低功耗。然而 MOSFET 的玻尔兹曼暴政（SS > 60 mV/dec）限制了能效。新型器件如冲击电离 MOSFET、隧道 FET 和 NCFET 均可实现亚 60 mV/dec SS。NCFET 结构简单、SS 陡峭、驱动电流提升，被视为最具吸引力的新兴器件。已报道的 NCFET 铁电材料包括 PZT、P(VDF-TrFE)、HZO 等，但多晶铁电材料的高工艺温度及晶界漏电限制了其在先进工艺节点的应用。近年发现非晶 Al₂O₃ 和 ZrOₓ 中电压调制氧空位偶极子可实现铁电性，相比晶体对应物具有工艺温度低、漏电流小的优势，因此非晶铁电栅介质在 FeFET 非易失性存储器与类脑突触应用中研究热烈。但针对单晶体管 ZrOₓ 基 NCFET 的系统性研究尚缺。

本文分别提出采用 5 nm ZrOₓ 和 5 nm Al₂O₃/HfO₂ 铁电介质层的 Ge NCFET。实验观测到 ZrOₓ (5 nm) NCFET 的亚 60 mV/dec 陡峭亚阈值摆幅，归因于 ZrOₓ 铁电层的 NC 效应。分析了 Ge/ZrOₓ/TaN 电容的极化 P 随电压 V 变化，铁电类行为由电压诱导氧空位偶极子产生。将 Al₂O₃/HfO₂ 与 ZrOₓ NCFET 中 I_DS 改善及 I_G 突然下降归因于 NC 效应，并观测到 NDR 现象。进一步分析了 Al₂O₃/HfO₂ NCFET 中界面偶极子导致 NC 效应减弱的物理机制。ZrOₓ NCFET 具备亚 60 mV/dec 陡峭 SS、改善的漏极电压及低工作电压，适合“后摩尔时代”低功耗 NCFET 设计。

方法

图 1a 展示 ZrOₓ 与 Al₂O₃/HfO₂ NCFET 关键制备步骤。在 n-Ge (001) 基底上以 300 ℃ 原子层沉积（ALD）生长不同栅介质：Al₂O₃/非晶 HfO₂ (5 nm) 及非晶 ZrOₓ (4.2 nm)。前驱体：TMA (Al)、TDMAHf (Hf)、TDMAZr (Zr)、H₂O (O)。Hf/Zr 脉冲/吹扫时间 1.6/8 s，Al 为 0.2/8 s。随后反应溅射沉积 TaN 栅极。光刻刻蚀定义源漏区，沉积 B⁺ 与 Ni，最后 350 ℃、30 s、10⁸ Pa N₂ 气氛快速热退火 (RTA)。图 1b、d 为器件示意图，图 1c、e 为 HRTEM 图像，分别显示非晶 HfO₂ (5 nm) 与 Al₂O₃ 界面层、非晶 ZrOₓ (4.2 nm)。ZrOₓ NCFET C-V 曲线及 TaN/ZrOₓ/Ge 电容 XPS 谱见补充材料 Fig. S1。

结果与讨论

图 2a 为 Ge/ZrOₓ/TaN 电容在 3.3 kHz 下的 P-V 特性（栅长 8 μm）。残留极化 P_r 随扫描电压范围增大而增强。非晶 ZrOₓ 的铁电类行为源于电压驱动氧空位偶极子。图 2b 显示 200–10 kHz 频率下 P-V 曲线，铁电行为稳定，但 P_r 随频率升高而降低，因高频下偶极子翻转不完全。

图 3 为 Al₂O₃/HfO₂ NCFET 特性。图 3a 显示 V_DS = -0.05 V 和 -0.5 V 时的 I_DS-V_GS 曲线（L_G=3 μm），顺时针磁滞分别为 0.14 V 和 0.08 V，源于氧空位迁移及伴随负电荷。正/负 V_GS 下氧空位在 Ge/Al₂O₃ 界面累积/耗尽，导致 V_TH 正/反向扫描增大/减小。图 3b 对比输出特性，Al₂O₃/HfO₂ NCFET 饱和电流 >26 μA/μm，比对照器件高 23%（|V_GS-V_TH|=|V_DS|=0.8 V），电流增强源于反向极化电场下反型电荷增强及表面势放大。NDR 现象证明非晶 HfO₂ 的 NC 效应，由漏极-沟道耦合导致氧空位偶极子不完全翻转引起。图 3c 栅漏电 I_G-V_GS 曲线显示仅反向扫描中 I_G 突然下降，表明非晶 HfO₂ 电压降低、表面势放大；正向扫描无 NC 效应因氧空位偶极子部分翻转，Al₂O₃ 与 HfO₂ 含氧能力差异导致氧重新分布及界面负偶极子，阻碍正向极化翻转。

图 4 为 ZrOₓ NCFET 特性。图 4a 磁滞 0.24 V (V_DS=-0.05 V) 和 0.14 V (V_DS=-0.5 V)（L_G=4 μm）。图 4b 输出特性对比，ZrOₓ NCFET 饱和电流 >30 μA/μm，比对照器件高 12%（|V_GS-V_TH|=|V_DS|=1 V），更明显的电流增强与 NDR 表明非晶 ZrOₓ (5 nm) NC 效应强于 5 nm HfO₂。图 4c 栅漏电曲线显示正、反向扫描均出现 I_G 突然下降，进一步证明 ZrOₓ NC 效应增强。

图 5 为两器件点 SS 随 I_DS 变化。ZrOₓ NCFET 在 V_DS=-0.05 V 和 -0.5 V 下，正/反向扫描均实现亚 60 mV/dec SS：前向 45.1/51.16 mV/dec，反向 55.2/46.52 mV/dec。因 Al₂O₃/HfO₂ 与 ZrOₓ 掺氧能力不同，前者导致部分偶极子翻转，故 ZrOₓ NCFET 实现更明显的 NC 效应与亚 60 mV/dec SS。

结论

演示了具有亚 60 mV/dec SS、1 V 低工作电压、<60 mV 磁滞的铁电 NC ZrOₓ pFET。非晶 ZrOₓ 铁电行为由氧空位偶极子解释。Al₂O₃/HfO₂ 与 ZrOₓ NCFET 均获得 I_DS 改善与 NDR。Al₂O₃/HfO₂ NC 效应受抑制源于界面偶极子导致的部分偶极子翻转。ZrOₓ NCFET 为未来低功耗 NCFET 设计铺平道路。

数据与材料可用性

支持结论的数据集已包含在文中。

缩略语

TaN:

氮化钽

ZrOₓ:

二氧化锆

TDMAZr:

四(二甲氨基)锆

P_r:

残留极化

E_c:

矫顽电场

MOSFETs:

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

Ge:

锗

ALD:

原子层沉积

B⁺:

硼离子

Al₂O₃:

氧化铝

HRTEM:

高分辨透射电镜

Ni:

镍

RTA:

快速热退火

I_DS:

漏极电流

V_GS:

栅极电压

V_TH:

阈值电压

NCFET:

负电容场效应晶体管