나노물질
산업 제조
Hf1−x의 다양한 Zr 조성을 갖는 게르마늄(Ge) 음의 정전용량 전계 효과 트랜지스터(NCFET) Zrx O2 (x =0.33, 0.48, 0.67)이 제작되고 특성화됩니다. 각 Zr 구성에 대해 NCFET는 NC 효과에 의해 유도된 임계치 이하 스윙(SS)의 일부 지점에서 급격한 하락을 나타냅니다. 드라이브 전류 I DS 감소된 소스/드레인 저항과 향상된 캐리어 이동도에 기인해야 하는 어닐링 온도의 증가와 함께 증가합니다. 가파른 SS 포인트는 NC 효과에 의해 유도됨을 증명하는 다중 DC 스위핑 측정을 통해 반복 가능하고 안정적입니다. 게이트 전압 V의 값 GS 가파른 SS에 해당하는 일정하고 시계 방향 I DS -V GS 다중 DC 스위프를 통해 유지됩니다. 고정 어닐링 온도에서 Hf0.52의 NC 장치 Zr0.48 O2 더 높은 I 달성 DS 그러나 다른 구성에 비해 더 큰 히스테리시스. Hf0.67의 NCFET Zr0.33 O2 히스테리시스가 없는 곡선과 높은 I DS .
<섹션 데이터-제목="배경">강유전체막이 게이트 스택에 삽입된 강유전성 음의 커패시턴스 전계 효과 트랜지스터(NCFET)는 기존의 금속 기판에 대한 SS(subthreshold swing)의 근본적인 한계를 극복할 수 있는 능력으로 인해 저전력 소산 응용 분야의 유망한 후보입니다. 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)[1]. NCFET의 음의 커패시턴스(NC) 현상은 실리콘(Si)[2, 3], 게르마늄(Ge)[4], 게르마늄 주석(GeSn)[5], III–V를 포함한 다양한 채널 재료에서 광범위하게 연구되었습니다. [6] 및 2D 재료 [7]. 또한 BiFeO3와 같은 다양한 강유전체를 갖는 NCFET에서 NC 특성이 입증되었습니다. [8], PbZrTiO3 (PZT) [9], PVDF [10] 및 Hf1-x Zrx O2 [11]. 다른 강유전체에 비해 Hf1−x Zrx O2 CMOS 통합과 호환된다는 장점이 있습니다. 실험 연구에 따르면 NCFET의 전기적 성능은 Hf1−x의 두께와 면적을 변화시켜 최적화할 수 있습니다. Zrx O2 , MOS 커패시턴스(C MOS ) 및 강유전체 커패시턴스(C FE ) [12, 13]. Hf1-x의 Zr 조성은 다음과 같을 것으로 예상됩니다. Zrx O2 Hf1−x의 강유전체 특성을 결정하기 때문에 NCFET의 성능에도 큰 영향을 미칩니다. Zrx O2 . 그러나 Zr 조성이 NCFET의 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 자세한 연구는 아직 부족한 실정이다.
이 논문에서 우리는 어닐링 온도와 Zr 조성이 Ge NCFET의 성능에 미치는 영향을 종합적으로 연구합니다.
Hf1−x의 다양한 Zr 조성으로 Ge p-채널 NCFET를 제조하기 위한 주요 공정 단계 Zrx O2 그림 1(a)에 나와 있습니다. 프리게이트 세정 후, n-Ge(001) 기판을 원자층 증착(ALD) 챔버에 넣었다. 얇은 Al2 O3 (25 주기) 필름이 증착되었고, 그 다음 O3 패시베이션. 그런 다음 Hf1-x Zrx O2 필름(x =0.33, 0.48 및 0.67)이 [(CH3 )2 N]4 Hf(TDAHf), [(CH3 )2 N]4 Zr(TDMAZr) 및 H2 Hf, Zr 및 O 전구체로서 각각 O. 그 후, 반응성 스퍼터링을 사용하여 TaN 금속 게이트를 증착하였다. 게이트 패터닝 및 에칭 후 붕소 이온(B + ) 20 keV의 에너지와 1 × 10 15 의 선량으로 소스/드레인(S/D) 영역에 주입되었습니다. cm −2 . 자가정렬되지 않은 S/D 금속은 리프트오프 공정에 의해 형성되었다. 마지막으로 도펀트 활성화, S/D 금속화 및 Hf1-x의 결정화를 위해 다양한 온도에서 급속 열처리(RTA)를 수행했습니다. Zrx O2 영화. Al2가 있는 Ge 제어 pMOSFET O3 /HfO2 스택도 조작되었습니다.
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(아 ) Hf1−x의 다양한 Zr 조성을 갖는 Ge NCFET 제조를 위한 주요 공정 단계 Zrx O2 강유전체. (b ) 제작된 NC 트랜지스터의 개략도. (ㄷ ) 7 nm H0.52를 나타내는 NC 소자의 게이트 스택의 TEM 이미지 Zr0.48 O2 층 및 2 nm Al2 O3 레이어
그림 1(b)는 제작된 NCFET의 개략도를 보여줍니다. 그림 1(c)의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지는 Hf0.52를 갖는 장치의 Ge 채널에 게이트 스택을 보여줍니다. Zr0.48 O2 강유전체. Al2의 두께 O3 및 Hf0.52 Zr0.48 O2 레이어는 각각 2 nm 및 7 nm입니다.
Hf1−x의 화학량론을 확인하려면 Zrx O2 , X선 광전자 분광법(XPS) 측정을 수행하였다. 그림 2(a) 및 (b)는 Hf4f를 보여줍니다. 및 Zr3d 각각 Hf0.67에 대한 광전자 코어 레벨 스펙트럼 Zr0.33 O2 , Hf0.52 Zr0.48 O2 , 및 Hf0.33 Zr0.67 O2 영화. 재료 조성은 피크의 면적 비율과 해당 감도 계수를 기반으로 계산되었습니다. Zr3d의 두 봉우리 5/2 및 Zr3d 3/2 Refs로 구성된 2.4 eV의 스핀-궤도 분할이 있습니다. [14, 15]. Hf1−x에서 Zr 합성 증가 Zrx O2 , Zr3d , 및 Hf4f 피크는 더 낮은 에너지 방향으로 이동합니다.
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(아 ) Hf 4f 그리고 (b ) Zr 3d Hf1−x에 대한 코어 레벨 스펙트럼 Zrx O2 Zr 조성이 다른 샘플
Hf1−x의 강유전성 특성 Zrx O2 영화(x =0.33, 0.48 및 0.66)은 편광 P 대 구동 전압 V 히스테리시스 루프 측정. 피 -V 루프는 깨끗한 장치에 녹음되었습니다. 그림 3은 P의 곡선을 보여줍니다. 대 V TaN/Hf1−x용 Zrx O2 (10 nm)/TaN은 일련의 구동 전압에서 샘플링됩니다. 어닐링 후 온도가 500에서 550 °C로 증가함에 따라 P -V Hf1−x의 곡선 Zrx O2 하위 루프 상태에서 포화되는 경향이 있습니다. Zr 조성이 증가함에 따라 필름의 잔여 분극이 분명히 개선되고 0 바이어스에서 히스테리시스 루프가 얇아지는 현상이 관찰되는데, 이는 중첩된 반강유전성 특성으로 현상학적으로 가장 잘 설명될 수 있습니다[16, 17].
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Hf1-x의 측정된 P-V 곡선 500 및 550 o 에서 어닐링된 Zr 조성이 다른 ZrxO2 필름 다. (a ) 및 (b )는 Hf0.67입니다. Zr0.33 O2 500 및 550 o 에서 어닐링된 필름 C, 각각. (ㄷ ) 및 (d )는 Hf0.52입니다. Zr0.48 O2 500 및 550 o 에서 어닐링된 필름 C, 각각. (이 ) 및 (f )는 Hf0.33입니다. Zr0.67 O2 500 및 550 o 에서 어닐링된 필름 C, 각각. 포스트 어닐링 온도가 500에서 550으로 증가하면 o C, Hf1-x의 P-V 곡선 Zrx O2 하위 루프 상태에서 포화되는 경향이 있습니다. Zr 조성이 증가함에 따라 반강유전성 거동으로의 강유전성 진화가 관찰됩니다.
그림 4(a)는 Hf0.52를 갖는 Ge NCFET의 측정된 전달 특성을 보여줍니다. Zr0.48 O2 어닐링 온도가 다른 강유전체 및 Al2 제어 장치 O3 /HfO2 스택 유전체. 제어 장치는 500 °C에서 어닐링되었습니다. 모든 장치의 게이트 길이는 L입니다. G 2 μm. 정방향 및 역방향 스위핑은 각각 열린 기호와 실선 기호로 표시됩니다. NCFET는 제어 장치에 비해 훨씬 더 높은 구동 전류를 가지고 있습니다. 어닐링 온도가 450에서 550 °C로 증가함에 따라 임계 전압 V TH NC 장치의 양수 V로 이동 GS 방향. NCFET는 작은 히스테리시스를 나타내며 RTA 온도가 증가함에 따라 무시할 수 있습니다. 트래핑 효과도 히스테리시스로 이어지지만 시계 반대 방향으로 I DS -V GS 루프는 강유전성 스위칭에 의해 유도된 결과와 반대입니다[18]. 포인트 SS 대 나 DS 그림 4(b)의 곡선은 NC 트랜지스터가 I의 급격한 변화에 따라 SS의 일부 지점에서 급격한 하락을 나타냄을 보여줍니다. DS NC 효과에 의해 유도된다[19]. NCFET는 제어 장치에 비해 향상된 SS 특성을 달성하는 것으로 관찰됩니다. 우리는 장치의 갑작스러운 드롭 포인트가 다른 어닐링 온도에서 일관됨을 발견했습니다. 측정된 나 DS -V DS Hf0.52인 NCFET의 곡선 Zr0.48 O2 다른 온도에서 어닐링된 강유전체는 그림 4(c)에 나와 있습니다. 나 DS -V DS NC 트랜지스터의 곡선은 NC 트랜지스터의 전형적인 특성인 명백한 NDR 현상을 보여줍니다[20,21,22,23]. 그림 4(d)는 I DS Hf0.52의 Ge NCFET Zr0.48 O2 V에서 각각 450, 500 및 550 °C에서 어닐링된 강유전체 층 DS =− 0.05 V 및 − 0.5 V 및 |V GS − V TH | =1.0 V. 여기서 V TH V로 정의됩니다. GS 나에서 DS 10개 중 −7 A/μm. 나 DS RTA 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 이는 더 높은 어닐링 온도에서 감소된 소스/드레인 저항 및 개선된 캐리어 이동성으로 인한 것입니다.
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(아 ) 측정된 I DS -V GS Hf0.52인 NCFET의 곡선 Zr0.48 O2 강유전체 및 제어 장치. (b ) 포인트 SS 대 I DS NCFET가 제어 MOSFET에 비해 더 가파른 SS를 갖는다는 것을 보여주는 곡선. (ㄷ ) 나 DS -V DS 전형적인 NDR 현상을 보여주는 NCFET에 대한 곡선. (d ) 나의 비교 DS 1 V의 게이트 오버드라이브에서 다양한 온도에서 어닐링된 NCFET의 경우
Hf0.52 외에도 Zr0.48 O2 강유전성 트랜지스터, Hf0.33을 갖는 Ge NC 트랜지스터의 전기적 특성도 조사합니다. Zr0.67 O2 강유전체. 그림 5(a)는 I를 나타냅니다. DS -V GS Hf0.33을 갖는 장치의 특성 Zr0.67 O2 V에서 서로 다른 어닐링 온도로 DS =− 0.05 V 및 − 0.5 V. Hf0.52와 비교 Zr0.48 O2 NC 트랜지스터는 더 작은 히스테리시스를 얻습니다. Hf0.52와 유사 Zr0.48 O2 NC 트랜지스터, 어닐링 온도가 450에서 550 °C로 증가함에 따라 V TH 장치의 V에서 순방향 스위핑에서 - 0.63 V에서 0.51 V로 증가 DS =− 0.05 V. I의 함수로서의 점 SS DS Hf0.33의 특성 Zr0.67 O2 강유전성 NCFET는 그림 5(b)에 나와 있습니다. 또한, 450 °C 및 500 °C의 어닐링 온도를 가진 디바이스는 550 °C의 어닐링된 트랜지스터와 비교하여 SS에서 더 분명한 급격한 감소를 얻습니다. 서로 다른 어닐링 온도에서 급격한 강하점은 동일한 게이트 전압에서 발생합니다. 그림 5(c)는 정방향 및 역방향 I를 나타냅니다. DS Hf0.33의 Zr0.67 O2 V의 NCFET DS =− 0.05 V 및 − 0.5 V 및 |V GS –V TH | =1.0 V. 정방향 또는 역방향 스위핑 여부에 관계없이 I DS Hf0.52의 특성과 일치하는 어닐링 온도와 함께 증가합니다. Zr0.48 O2 장치.
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(아 ) Hf0.33의 측정된 전달 특성 Zr0.67 O2 NC Ge pFET는 450~550 °C에서 열처리되었습니다. (b ) I의 함수로 점 SS DS Hf0.33의 경우 Zr0.67 O2 장치. (ㄷ ) 나 DS 1V의 게이트 오버드라이브에서 다른 어닐링 온도를 갖는 강유전성 NC 트랜지스터의 경우
우리는 또한 더 작은 Zr 조성을 가진 Ge NCFET의 전기적 성능을 조사합니다. Hf0.67의 전달 특성 Zr0.33 O2 다른 어닐링 온도에서 어닐링된 NCFET는 그림 6(a)에 나와 있습니다. 히스테리시스 현상은 관찰되지 않습니다. Hf0.33과 비교 Zr0.67 O2 및 Hf0.52 Zr0.48 O2 기기, V TH 다양한 어닐링 온도에 의해 유도된 이동은 Hf0.67에서 덜 두드러집니다. Zr0.33 O2 NCFET. 포인트 SS 대 나 DS 그림 6(b)의 곡선은 Hf0.67 Zr0.33 O2 NC 트랜지스터는 V에서 NC 트랜지스터의 SS 일부 지점에서 급격한 하락을 나타냅니다. DS =− 0.05 V. 그림 6(c)는 I를 나타냅니다. DS Hf0.67 Zr0.33 O2 V에서 450 °C, 500 °C 및 550 °C에서 열처리된 Ge NCFET DS =− 0.05 V 및 − 0.5 V 및 |V GS –V TH | =1.0 V. 마찬가지로 I DS RTA 온도가 증가함에 따라 향상됩니다.
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(아 ) 측정된 I DS -V GS Hf0.67의 Zr0.33 O2 NC Ge pFET는 450 °C, 500 °C 및 550 °C에서 어닐링되었습니다. (b ) 포인트 SS 대 IDS 장치의 특성. (ㄷ ) 나 DS 1V의 게이트 오버드라이브에서 다른 어닐링 온도를 갖는 강유전성 NC 트랜지스터의 경우
Hf0.52의 강유전체층에 의해 유도된 NC 효과의 안정성 Zr0.48 O2 NCFET는 여러 DC 스위핑 측정으로 검증되었습니다. 측정된 나 DS -V GS DC 스위핑의 100 주기에 대한 곡선은 그림 7(a)에 나와 있습니다. V의 값이 GS 가파른 SS에 해당하는 일치합니다. 또한 시계 방향으로 I-V 루프는 다중 DC 스위프를 통해 유지됩니다. 가파른 SS 포인트는 다중 DC 스위프를 통해 반복 가능하고 안정적이며, 이는 NC 효과에 의해 유도되었음을 추가로 증명합니다. 그림 7(b)는 스위핑 사이클 수에 걸쳐 최상의 SS 및 구동 전류를 나타냅니다. 그림 7(c)는 DC 스위핑 사이클 수에 따른 히스테리시스 특성을 보여줍니다. 안정적인 I-V ~ 82 mV의 히스테리시스 창이 나타납니다.
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(아 ) 측정된 I DS -V GS Hf0.52의 곡선 Zr0.48 O2 DC 스위핑의 100 주기 이상의 NC Ge pFET. (b ) 베스트 포인트 SS 및 I DS 대 사이클 번호. (ㄷ ) DC 스위핑 사이클 수에 따른 히스테리시스 특성
Hf1−x에서 Zr 조성이 다른 Ge NCFET의 히스테리시스 및 구동 전류 특성을 요약합니다. Zrx O2 x가 있는 장치의 경우 그림 8(a)에서와 같이 히스테리시스 값은 70, 148 및 106 mV입니다. =0.33, 0.48, 0.67, 각각 V DS - 0.5 V. 조성이 0.33에서 0.48로 증가함에 따라 NC 장치의 히스테리시스가 크게 증가합니다. Zr 조성이 증가함에 따라 히스테리시스가 급격히 감소합니다. 나 DS 450 °C에서 어닐링된 NCFET의 수는 V에서 그림 8(b)에 표시됩니다. DS =− 0. 5 V 및 V GS − V TH =− 1. 0 V. 개방 및 실선은 각각 정방향 및 역방향 스위핑을 나타냅니다. Hf0.52의 NC 장치 Zr0.48 O2 최고의 I 달성 DS , 그러나 히스테리시스가 심각합니다. Hf0.67의 NCFET Zr0.33 O2 히스테리시스가 없는 곡선과 높은 I DS . Zr 조성이 증가함에 따라 강유전체 정전용량 C fe (=0.3849*P r /(이 ㄷ *그 fe ) [24]) P가 증가함에 따라 증가합니다. r , 그리고 한편, MOS 커패시턴스(C MOS ) HZO 필름의 유전율 증가로 인해 증가합니다. 나 DS 및 히스테리시스는 |C에 의해 결정됩니다. fe | 및 C MOS 트랜지스터의. Zr 조성이 0.33에서 0.48로 증가함에 따라 |C fe | C보다 느린 것으로 추측됩니다. MOS , 히스테리시스의 확대로 이어진다. 그럼에도 불구하고 더 큰 C MOS 더 높은 I DS . Zr 조성의 추가 증가에 따라 |C의 증가 fe | C보다 빠름 MOS , 제공할 수 있는 |C fe | ≥ C MOS , NCFET의 히스테리시스 감소.
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(a의 통계 도표 ) 히스테리시스 및 (b ) 나 DS Hf1−x가 있는 Ge NCFET Zrx O2 (x =0.33, 0.48, 0.67)
Hf1-x에서 어닐링 온도와 Zr 조성의 영향 Zrx O2 Ge NCFET의 전기적 성능에 대한 연구가 실험적으로 연구되었습니다. Hf1−x의 화학량론 및 강유전성 특성 Zrx O2 XPS 및 P-V에 의해 확인되었습니다. 각각 측정합니다. NCFET는 가파른 점 SS를 보여주고 개선된 I DS NC 효과로 인해 제어 장치와 비교됩니다. V TH 그리고 나 DS Hf1−x의 Zrx O2 NCFET는 어닐링 온도의 영향을 크게 받습니다. 다중 DC 스위핑 측정은 강유전체 층에 의해 유도된 NC 효과의 안정성이 NCFET에서 달성된다는 것을 보여줍니다. Hf0.67 Zr0.33 O2 NCFET는 Zr 조성이 높은 소자보다 히스테리시스가 없는 특성을 더 쉽게 얻을 수 있습니다.
산화알루미늄
원자층 증착
불화붕소 이온
직류
게르마늄
게르마늄 산화물
불산
이산화 하프늄
고해상도 투과 전자 현미경
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터
네거티브 커패시턴스
니켈
하위 임계값 스윙
탄탈 질화물
Tetrakis(디메틸아미도) 하프늄
Tetrakis(디메틸아미도) 지르코늄
나노물질
초록 다층(ML) 및 소수층(FL) Ti3 C2 Tx 나노시트는 일반적인 에칭 및 박리 절차를 통해 준비되었습니다. 다양한 특성을 통해 ML-Ti3의 주요 터미널 그룹이 C2 Tx 및 FL-Ti3 C2 Tx O 관련 및 하이드록실 그룹에 각각 할당된 다릅니다. 지배적인 단자의 이러한 편차는 다른 물리적 및 화학적 성능을 초래하고 결국 나노시트가 다른 잠재적인 응용을 갖도록 합니다. 특히 Ag 나노입자와 결합하기 전에 ML-Ti3 C2 Tx 더 강한 근거리 향상 효과를 나타낼 수 있습니다. 그러나 Ag/FL-Ti3 C2 Tx 하이브
초록 본 논문에서는 양방향 게이트 제어 S/D 대칭 및 교체 가능한 양방향 터널 전계 효과 트랜지스터(B-TFET)를 제안하여 기존의 비대칭 TFET에 비해 양방향 스위칭 특성 및 CMOS 집적 회로와의 호환성의 이점을 보여줍니다. N+의 도핑 농도와 같은 구조적 매개변수의 영향 지역 및 P+ 지역, N+의 길이 고유 영역의 영역 및 길이, 장치 성능, 예:전달 특성, I 켜기 –나 꺼짐 비율 및 하위 임계값 스윙, 내부 메커니즘에 대해 자세히 논의하고 설명합니다. 소개 전력 소비는 집적 회로 산업의 주요 문제 중 하나입니다