Ge NCFET 최적화: Hf_1−xZr_xO₂ 내 Zr 함량이 성능에 미치는 영향

요약

Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0.33, 0.48, 0.67)의 다양한 Zr 조성을 적용한 Ge 음전용량 전계효과 트랜지스터(NCFET)를 제작 및 특성 분석했습니다. 각 Zr 조성에서 NCFET는 NC 효과로 인한 서브스레숄드 스윙(SS)의 급격한 하락 지점을 보였습니다. 드레인 전류 I_DS는 어닐링 온도 상승에 따라 증가했는데, 이는 소스/드레인 저항 감소와 캐리어 이동도 향상 때문으로 보입니다. 가파른 SS 지점들은 다중 DC 스위핑 측정에서 반복 가능하고 안정적으로 유지되어 NC 효과에 기인함이 입증되었습니다. 가파른 SS에 해당하는 게이트 전압 V_GS 값은 일관되며, 시계 방향 I_DS-V_GS 루프가 다중 스위핑에서 유지됩니다. 고정된 어닐링 온도에서 Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC 소자는 더 높은 I_DS를 보이지만 다른 조성 대비 더 큰 히스테리시스를 나타냅니다. Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET는 히스테리시스 없는 곡선과 높은 I_DS로 우수한 성능을 달성합니다.

배경

게이트 스택에 강유전체 박막을 삽입한 강유전체 음전용량 FET(NCFET)는 기존 MOSFET의 서브스레숄드 스윙(SS) 근본 한계를 극복할 수 있어 저전력 소모 애플리케이션의 유망 후보입니다[1]. NCFET의 음전용량(NC) 현상은 Si[2,3], Ge[4], GeSn[5], III-V[6], 2D 소재[7] 등 다양한 채널 소재에서 연구되었습니다. 또한 BiFeO₃[8], PZT[9], PVDF[10], Hf_1−xZr_xO₂[11] 등 다양한 강유전체에서 NC 특성이 입증되었습니다. 타 강유전체 대비 Hf_1−xZr_xO₂는 CMOS 공정 호환성이 장점입니다. 실험적으로 Hf_1−xZr_xO₂의 두께와 면적 변화가 MOS 캐패시턴스(C_MOS)와 강유전체 캐패시턴스(C_FE) 간 매칭에 영향을 주어 NCFET 성능을 최적화할 수 있음이 밝혀졌습니다[12,13]. Hf_1−xZr_xO₂의 Zr 조성 또한 강유전체 특성을 결정하므로 NCFET 성능에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되나, Zr 조성이 NCFET 전기적 특성에 미치는 영향에 대한 상세 연구는 아직 부족합니다.

본 논문에서는 어닐링 온도와 Zr 조성이 Ge NCFET 성능에 미치는 영향을 종합적으로 연구합니다.

실험 방법

그림 1(a)는 Hf_1−xZr_xO₂의 다양한 Zr 조성을 적용한 Ge p채널 NCFET 제작 주요 공정을 보여줍니다. 프리 게이트 세정 후 n-Ge (001) 기판을 ALD 챔버에 로드했습니다. 얇은 Al₂O₃(25사이클) 증착 후 O₃ 패시베이션을 수행했습니다. 이어서 동일 ALD 챔버에서 TDMAHf, TDMAZr, H₂O를 각각 Hf, Zr, O 전구체로 사용하여 Hf_1−xZr_xO₂ 박막(x = 0.33, 0.48, 0.67)을 증착했습니다. 이후 반응성 스퍼터링으로 TaN 금속 게이트를 증착했습니다. 게이트 패터닝 및 식각 후, 소스/드레인(S/D) 영역에 붕소 이온(B⁺)을 20keV, 1×10¹⁵ cm⁻²로 주입했습니다. 비자가 정렬 S/D 금속을 리프트오프 공정으로 형성했습니다. 마지막으로 도펀트 활성화, S/D 금속화, Hf_1−xZr_xO₂ 박막 결정화를 위해 다양한 온도에서 급속 열 어닐링(RTA)을 수행했습니다. 비교용으로 Al₂O₃/HfO₂ 스택의 Ge 대조군 pMOSFET도 제작했습니다.

그림 1. (a) 다양한 Zr 조성의 Hf_1−xZr_xO₂ 강유전체를 적용한 Ge NCFET 제작 주요 공정, (b) 제작된 NC 트랜지스터 개략도, (c) Hf_0.52Zr_0.48O₂ 강유전체 적용 NC 소자 게이트 스택 TEM 이미지 (7nm Hf_0.52Zr_0.48O₂ 층, 2nm Al₂O₃ 층)

Hf_1−xZr_xO₂의 화학 양론적 조성 확인을 위해 XPS 측정을 수행했습니다. 그림 2(a),(b)는 각각 Hf_0.67Zr_0.33O₂, Hf_0.52Zr_0.48O₂, Hf_0.33Zr_0.67O₂ 박막의 Hf 4f 및 Zr 3d 광전자 코어 레벨 스펙트럼입니다. 피크 면적비와 감도 계수로 조성을 계산했습니다. Zr 3d_5/2와 Zr 3d_3/2의 스핀-궤도 분할은 2.4eV로 문헌[14,15]과 일치합니다. Zr 조성 증가에 따라 Zr 3d와 Hf 4f 피크가 저에너지 방향으로 이동합니다.

그림 2. 다양한 Zr 조성의 Hf_1−xZr_xO₂ 시료에 대한 (a) Hf 4f 및 (b) Zr 3d 코어 레벨 스펙트럼

Hf_1−xZr_xO₂ 박막(x = 0.33, 0.48, 0.66)의 강유전체 특성은 분극 P 대 구동 전압 V 히스테리시스 루프 측정으로 분석했습니다. P-V 루프는 프리스틴 소자에서 기록했습니다. 그림 3은 TaN/Hf_1−xZr_xO₂(10nm)/TaN 시료의 다양한 구동 전압에서 측정된 P-V 곡선입니다. 사후 어닐링 온도가 500°C에서 550°C로 상승함에 따라 모든 조성에서 P-V 곡선이 서브 루프 상태에서 포화되는 경향을 보입니다. Zr 조성 증가에 따라 잔류 분극이 뚜렷이 향상되며, 영 바이어스에서 히스테리시스 루프가 얇아지는 현상이 관찰되는데, 이는 중첩된 반강유전체 유사 특성으로 현상적으로 설명됩니다[16,17].

그림 3. 다양한 Zr 조성의 Hf_1−xZr_xO₂ 박막 P-V 곡선 (500°C 및 550°C 어닐링). (a),(b) Hf_0.67Zr_0.33O₂, (c),(d) Hf_0.52Zr_0.48O₂, (e),(f) Hf_0.33Zr_0.67O₂. 어닐링 온도 상승 시 서브 루프 포화 경향, Zr 조성 증가에 따라 강유전체에서 반강유전체 유사 거동으로 진화 관찰

결과 및 논의

그림 4(a)는 다양한 어닐링 온도에서 Hf_0.52Zr_0.48O₂ 강유전체 적용 Ge NCFET의 전달 특성과 Al₂O₃/HfO₂ 스택 대조 소자를 보여줍니다. 대조 소자는 500°C 어닐링되었습니다. 모든 소자 게이트 길이 L_G는 2µm입니다. 빈 기호와 채워진 기호는 각각 순방향 및 역방향 스위핑입니다. NC 소자는 대조 소자 대비 훨씬 높은 드레인 전류를 보입니다. 어닐링 온도가 450°C에서 550°C로 상승함에 따라 NC 소자의 문턱 전압 V_TH가 양의 V_GS 방향으로 이동합니다. NCFET는 작은 히스테리시스를 보이며, RTA 온도 증가에 따라 무시할 수 있는 수준이 됩니다. 트래핑 효과도 히스테리시스를 유발하지만 반시계 방향 I_DS-V_GS 루프를 생성하여 강유전체 스위칭 유도 결과(시계 방향)와 반대입니다[18]. 그림 4(b)의 포인트 SS 대 I_DS 곡선에서 NC 트랜지스터는 NC 효과로 인한 I_DS 급변에 해당하는 SS 급락 지점들을 보입니다[19]. NCFET가 대조 MOSFET 대비 향상된 SS 특성을 달성함을 확인했습니다. 급락 지점들은 어닐링 온도와 무관하게 일관되게 나타납니다. 그림 4(c)는 다양한 어닐링 온도에서 Hf_0.52Zr_0.48O₂ 강유전체 적용 NCFET의 I_DS-V_DS 곡선으로, NC 트랜지스터의 전형적인 NDR 현상이 관측됩니다[20-23]. 그림 4(d)는 게이트 오버드라이브 1V 조건(V_DS = -0.05V, -0.5V, |V_GS-V_TH| = 1.0V)에서 어닐링 온도별 I_DS 비교입니다. V_TH는 I_DS 10⁻⁷ A/µm에서의 V_GS로 정의했습니다. I_DS는 RTA 온도 상승에 따라 증가하며, 이는 고온 어닐링에서 소스/드레인 저항 감소와 캐리어 이동도 향상 때문입니다.

그림 4. (a) Hf_0.52Zr_0.48O₂ 강유전체 적용 NCFET 및 대조 소자의 I_DS-V_GS 곡선, (b) 포인트 SS 대 I_DS 곡선 (NCFET가 대조 MOSFET 대비 더 가파른 SS), (c) NDR 현상을 보이는 NCFET의 I_DS-V_DS 곡선, (d) 게이트 오버드라이브 1V에서 다양한 어닐링 온도별 I_DS 비교

Hf_0.52Zr_0.48O₂ 외에도 Hf_0.33Zr_0.67O₂ 강유전체 적용 Ge NC 트랜지스터의 전기적 특성을 조사했습니다. 그림 5(a)는 다양한 어닐링 온도에서 Hf_0.33Zr_0.67O₂ 소자의 V_DS = -0.05V 및 -0.5V 조건 전달 특성입니다. Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC 트랜지스터 대비 더 작은 히스테리시스를 얻었습니다. 유사하게 어닐링 온도 450°C에서 550°C로 상승 시 순방향 스위핑 기준 V_TH가 -0.63V에서 0.51V로 이동합니다(V_DS = -0.05V). 그림 5(b)는 Hf_0.33Zr_0.67O₂ 강유전체 NCFET의 포인트 SS 대 I_DS 특성입니다. 450°C와 500°C 어닐링 소자가 550°C 소자 대비 더 뚜렷한 SS 급락을 보입니다. 급락 지점들은 어닐링 온도와 무관하게 동일한 게이트 전압에서 발생합니다. 그림 5(c)는 게이트 오버드라이브 1V 조건에서 순방향 및 역방향 I_DS 비교로, 스위핑 방향과 무관하게 I_DS가 어닐링 온도 상승에 따라 증가하며 Hf_0.52Zr_0.48O₂ 소자와 일관됩니다.

그림 5. (a) 450~550°C 어닐링된 Hf_0.33Zr_0.67O₂ NC Ge pFET 전달 특성, (b) Hf_0.33Zr_0.67O₂ 소자의 포인트 SS 대 I_DS, (c) 게이트 오버드라이브 1V에서 어닐링 온도별 I_DS

더 낮은 Zr 조성의 Ge NCFET 전기적 성능도 조사했습니다. 그림 6(a)는 다양한 어닐링 온도에서 Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET의 전달 특성입니다. 히스테리시스 현상이 관측되지 않습니다. Hf_0.33Zr_0.67O₂ 및 Hf_0.52Zr_0.48O₂ 소자 대비 어닐링 온도 변화에 따른 V_TH 이동이 덜 두드러집니다. 그림 6(b)의 포인트 SS 대 I_DS 곡선에서 Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC 트랜지스터는 V_DS = -0.05V에서 NC 효과로 인한 SS 급락 지점들을 보입니다. 그림 6(c)는 게이트 오버드라이브 1V 조건에서 어닐링 온도별 I_DS로, 마찬가지로 I_DS가 RTA 온도 상승에 따라 향상됩니다.

그림 6. (a) 450°C, 500°C, 550°C 어닐링된 Hf_0.67Zr_0.33O₂ NC Ge pFET I_DS-V_GS, (b) 포인트 SS 대 I_DS 특성, (c) 게이트 오버드라이브 1V에서 어닐링 온도별 I_DS

Hf_0.52Zr_0.48O₂ NCFET의 강유전체 층에 의한 NC 효과 안정성을 다중 DC 스위핑 측정으로 검증했습니다. 그림 7(a)는 100사이클 DC 스위핑 동안 측정된 I_DS-V_GS 곡선입니다. 가파른 SS에 해당하는 V_GS 값들이 일관되며, 시계 방향 I-V 루프가 다중 스위핑에서 유지됩니다. 급락 SS 지점들이 다중 DC 스위핑에서 반복 가능하고 안정적이어서 NC 효과 기원이 확증됩니다. 그림 7(b)는 스위핑 사이클 수에 따른 최적 포인트 SS와 드레인 전류, 그림 7(c)는 히스테리시스 특성의 사이클 수 의존성입니다. 약 82mV의 안정적인 I-V 히스테리시스 윈도우가 관찰됩니다.

그림 7. (a) Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC Ge pFET의 100사이클 DC 스위핑 I_DS-V_GS 곡선, (b) 사이클 수 대비 최적 포인트 SS 및 I_DS, (c) DC 스위핑 사이클 수에 따른 히스테리시스 특성

그림 8은 Hf_1−xZr_xO₂의 다양한 Zr 조성을 가진 Ge NCFET의 히스테리시스와 드레인 전류 특성을 요약합니다. 그림 8(a)에서 V_DS = -0.5V 조건 히스테리시스 값은 x = 0.33, 0.48, 0.67에서 각각 70, 148, 106mV입니다. 조성이 0.33에서 0.48로 증가하면 히스테리시스가 유의미하게 증가하나, 더 증가하면 급격히 감소합니다. 그림 8(b)는 450°C 어닐링 소자의 I_DS입니다(V_DS = -0.5V, V_GS-V_TH = -1.0V). 빈/채워진 기호는 순/역방향 스위핑입니다. Hf_0.52Zr_0.48O₂ NC 소자가 가장 높은 I_DS를 달성하나 히스테리시스가 심각합니다. Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET는 히스테리시스 없는 곡선과 높은 I_DS로 우수한 성능을 얻습니다. Zr 조성 증가에 따라 강유전체 캐패시턴스 C_fe (= 0.3849×P_r/(E_c×t_fe) [24])는 P_r 증가로 커지며, 동시에 HZO 박막 유전율 증가로 MOS 캐패시턴스(C_MOS)도 증가합니다. I_DS와 히스테리시스는 트랜지스터의 |C_fe|와 C_MOS에 의해 결정됩니다. Zr 조성 0.33→0.48 증가 시 |C_fe| 증가율이 C_MOS보다 느려 히스테리시스가 확대되는 것으로 추측되며, 더 큰 C_MOS가 더 높은 I_DS를 생성합니다. Zr 조성 추가 증가 시 |C_fe| 증가율이 C_MOS보다 빨라져 |C_fe| ≥ C_MOS 조건을 제공, NCFET 히스테리시스를 감소시킵니다.

그림 8. Hf_1−xZr_xO₂ (x = 0.33, 0.48, 0.67) 적용 Ge NCFET의 (a) 히스테리시스 및 (b) I_DS 통계 플롯

결론

Hf_1−xZr_xO₂의 어닐링 온도와 Zr 조성이 Ge NCFET 전기적 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구했습니다. Hf_1−xZr_xO₂의 화학 양론과 강유전체 특성은 XPS와 P-V 측정으로 각각 확인했습니다. NCFET는 NC 효과로 인해 대조 소자 대비 가파른 포인트 SS와 향상된 I_DS를 보입니다. Hf_1−xZr_xO₂ NCFET의 V_TH와 I_DS는 어닐링 온도에 크게 영향을 받습니다. 다중 DC 스위핑 측정으로 강유전체 층 유도 NC 효과의 안정성이 NCFET에서 달성됨을 보였습니다. Hf_0.67Zr_0.33O₂ NCFET는 더 높은 Zr 조성 소자들보다 히스테리시스 없는 특성을 더 쉽게 달성할 수 있습니다.