ZrOₓ 기반 음전용량 FET, 서브-60 mV/dec 서브임계 스윙 달성

요약

본 연구에서는 ±1 V V_GS 범위에서 45.06 mV/decade의 서브임계 스윙(SS)을 달성한 ZrO_x 기반 음전용량(NC) FET를 보고합니다. 이는 향후 전압 확장 가능한 NCFET 응용에 새로운 기회를 제공할 수 있습니다. Ge/ZrO_x/TaN 커패시터의 강유전체 유사 행동은 산소 공극 쌍극자에서 기인한다고 제안됩니다. 비정질 HfO₂와 ZrO_x 박막 소자의 NC 효과는 게이트 누설 전류의 급격한 감소, 음의 차동 저항(NDR) 현상, I_DS 향상, 서브-60 서브임계 스윙으로 입증될 수 있습니다. 5 nm ZrO_x 기반 NCFET는 0.24 V의 시계 방향 히스테리시스, 60 mV/decade 미만의 SS, 제어 소자 대비 12% I_DS 향상을 달성했습니다. Al₂O₃/HfO₂ NCFET의 억제된 NC 효과는 Al₂O₃/HfO₂ 계면의 음성 계면 쌍극자로 인한 순방향 스위핑 중 산소 공극 쌍극자의 부분적 스위칭과 관련이 있습니다.

배경

상보적 금속 산화막 반도체(CMOS) 소자가 지속적으로 스케일링됨에 따라 집적 회로(IC) 기술은 "모어 무어 시대"에 진입했습니다. IC 산업과 기술의 원동력은 트랜지스터 소형화가 아닌 전력 소비 감소로 옮겨갔습니다[1, 2]. 그러나 MOSFET의 볼츠만 한계인 60 mV/decade 이상의 SS가 에너지/전력 효율을 제한하고 있습니다[3]. 최근 몇 년간 서브-60 mV/decade 임계 스윙을 달성할 수 있는 여러 새로운 소자가 제안되었습니다. 이에는 충격 이온화 MOSFET, 터널 FET, NCFET 등이 포함됩니다[4-7]. 간단한 구조, 가파른 SS, 향상된 드라이브 전류 덕분에 강유전체(FE) 박막을 가진 NCFET가 이러한 신흥 소자 중 매력적인 대안으로 여겨지고 있습니다[8-10]. NCFET에 대한 보고된 실험은 주로 PbZrTiO₃(PZT), P(VDF-TrFE), HfZrO_x(HZO) 등을 포함합니다[11-17]. 그러나 다결정 강유전체 물질의 결정립 경계를 따른 높은 공정 온도와 원치 않는 게이트 누설 전류가 최첨단 기술 노드에서의 개발을 제한해 왔습니다[18-26]. 최근 전압 변조 산소 공극 쌍극자에 의해 가능해진 비정질 Al₂O₃와 ZrO_x 박막의 강유전성이 조사되었습니다[27-29]. 결정질 대응물과 비교해 비정질 강유전체 유사 박막은 공정 온도 감소와 누설 전류 감소라는 중요한 이점을 가집니다. 따라서 비정질 게이트 절연체를 이용한 FeFET에 대한 대규모 연구가 비휘발성 메모리와 아날로그 시냅스 응용을 위해 진행되어 왔습니다[27, 30-34]. 그러나 단일 트랜지스터 ZrO_x 기반 NCFET에 대한 체계적인 조사는 수행되지 않았습니다.

본 연구에서는 5 nm ZrO_x 강유전체 유전체층과 5 nm Al₂O₃/HfO₂ 강유전체 유전체층을 가진 Ge NCFET를 각각 제안했습니다. ZrO_x(5 nm) NCFET에서 서브-60 mV/decade의 가파른 슬로프를 실험적으로 관찰했는데, 이는 ZrO_x 강유전체층의 NC 효과에 기인합니다. 또한 Ge/ZrO_x/TaN 커패시터에 대해 인가 전압 V 함수로서 분극 P를 분석했습니다. Ge/ZrO_x/TaN 커패시터의 강유전체 유사 행동은 전압 유도 산소 공극 쌍극자에 의해 유도됩니다. 또한 Al₂O₃/HfO₂ NCFET와 ZrO_x NCFET에서 향상된 I_DS와 I_G의 급격한 감소를 NC 효과로 설명했습니다. Al₂O₃/HfO₂ NCFET와 ZrO_x NCFET에서 NDR 현상도 관찰했습니다. 나아가 Al₂O₃/HfO₂ NCFET에서 계면 쌍극자 유도 NC 효과 감소의 물리적 메커니즘을 추가로 분석했습니다. 서브-60 mV/decade 가파른 슬로프, 향상된 드레인 전압, 낮은 동작 전압을 가진 ZrO_x NCFET는 "모어 무어 시대"의 저전력 소비를 위한 NCFET 설계에 적합할 것입니다.

연구 방법

ZrO_x와 Al₂O₃/HfO₂를 가진 NCFET의 주요 공정 단계는 그림 1a에 나와 있습니다. n-Ge (001) 기판 위에 원자층 증착(ALD)법으로 300°C에서 Al₂O₃/비정질 HfO₂(5 nm) 박막과 비정질 ZrO_x(4.2 nm) 박막을 포함한 다양한 게이트 유전체 절연체를 성장시켰습니다. Al, Hf, Zr, O의 전구체로 TMA, TDMAHf, TDMAZr, H₂O 증기를 각각 사용했습니다. Hf와 Zr 전구체의 펄스 시간과 퍼지 시간은 각각 1.6 s와 8 s입니다. Al 전구체의 펄스 시간과 퍼지 시간은 각각 0.2 s와 8 s입니다. TaN 탑 게이트 전극을 HfO₂ 또는 ZrO_x 표면 위에 반응성 스퍼터링으로 증착했습니다. 소스/드레인(S/D) 영역은 리소그래피 패터닝과 건식 식각으로 정의했습니다. 이후 소스/드레인 영역에 붕소(B⁺)와 니켈(Ni)을 증착했습니다. 마지막으로 10⁸ Pa 질소 분위기에서 350°C로 30초간 급속 열 어닐링(RTA)을 수행했습니다. 그림 1b, d는 제작된 Al₂O₃/HfO₂ NCFET와 ZrO_x NCFET의 개략도입니다. 그림 1c의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지는 Ge (001) 위의 Al₂O₃ 계면층이 있는 비정질 HfO₂(5 nm) 박막을 보여줍니다. 그림 1e의 HRTEM 이미지는 Ge (001) 위의 비정질 ZrO_x(4.2 nm) 박막을 보여줍니다. ZrO_x NCFET의 C-V 곡선과 TaN/ZrO_x(4.2 nm)/Ge 커패시터의 X-선 광전자 분광(XPS) 스펙트럼은 추가 파일 1: 그림 S1에 측정되었습니다.

결과 및 논의

그림 2a는 3.3 kHz에서 Ge/ZrO_x/TaN 커패시터의 분극 P 대 인가 전압 V 특성 측정 곡선을 보여줍니다. 커패시터의 게이트 길이(L_G)는 8 µm입니다. V의 스위핑 범위가 커질수록 Ge/ZrO_x/TaN 커패시터의 잔류 분극 P_r이 향상됨을 관찰할 수 있습니다. 그림 2a의 비정질 ZrO_x 박막의 강유전체 유사 행동은 전압 구동 산소 공극 쌍극자에서 기인한다고 제안됩니다[35]. 그림 2b는 200~10 kHz 다양한 주파수에서 Ge/ZrO_x/TaN 커패시터의 측정된 P-V 곡선을 보여줍니다. 비정질 ZrO_x 박막의 강유전체 유사 행동이 모든 주파수에서 안정적으로 유지됨을 알 수 있습니다. 그러나 비정질 ZrO_x 박막의 P_r은 주파수 증가에 따라 감소합니다. 이 현상은 높은 측정 주파수에서 쌍극자 스위칭이 불완전하기 때문으로 설명할 수 있습니다[36, 37]. 측정 주파수가 증가함에 따라 비정질 ZrO_x 박막 내 전기장 방향 변화 시간이 감소합니다. 따라서 산소 공극 쌍극자 스위칭의 일부가 불완전해져 P_r이 감소합니다.

그림 3a는 V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 강유전체 Al₂O₃/HfO₂ NCFET의 측정된 I_DS-V_GS 곡선을 보여줍니다. 소자의 L_G는 3 µm입니다. 각각 V_DS = -0.05 V, I_ds = 1 nA/µm에서 0.14 V, V_DS = -0.5 V, I_ds = 1 nA/µm에서 0.08 V의 시계 방향 히스테리시스 루프가 나타납니다. 시계 방향 히스테리시스 루프는 산소 공극 이동과 동반된 음전하에 기인합니다. 산소 공극 쌍극자는 양(음)의 V_GS 하에서 Ge/Al₂O₃ 계면에 축적(고갈)됩니다. 따라서 순방향(역방향) 게이트 전압 스위핑 하에서 임계 전압(V_TH)이 증가(감소)합니다. 그림 3b에 Al₂O₃/HfO₂ NCFET와 제어 FET의 출력 특성을 비교했습니다. Al₂O₃/HfO₂ NCFET의 포화 전류는 26 µA/µm을 초과하며, |V_GS-V_TH| = |V_DS| = 0.8 V에서 제어 FET 대비 23% 상승했습니다. 전류 향상은 역분극 전기장에서 반전 전하 강도(Q_inv) 증가와 표면 전위 증폭에 의해 유도됩니다[38, 39]. 전류 향상 외에도 명백한 NDR 획득은 비정질 HfO₂ 박막의 NC 효과를 입증합니다. NDR 효과는 V_DS 증가에 따른 드레인-채널 커플링으로 인한 산소 공극 쌍극자의 불완전한 스위칭에 의해 발생합니다[40, 41]. 그림 3c는 V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 5 nm Al₂O₃/HfO₂ NCFET의 게이트 누설 I_G-V_GS 곡선을 비교합니다. 역방향 스위핑 중에만 발생하는 I_G의 급격한 감소는 비정질 HfO₂ 박막의 전압 감소와 표면 전위 증폭을 나타냅니다[42]. 순방향 스위핑 중 NC 효과가 없는 것은 비정질 HfO₂ 박막 내 산소 공극 쌍극자의 부분적 스위칭 때문입니다[43]. Al₂O₃와 HfO₂ 층 간 산소 원자 포집 능력 차이로 인해 산소 재분배와 Al₂O₃/HfO₂ 계면에서 음성 계면 쌍극자가 발생합니다[44, 45]. 음성 계면 쌍극자의 존재로 인해 비정질 HfO₂ 박막이 순방향 스위핑에서 완전한 분극 스위칭(NC 효과)을 실현하기 어렵습니다(추가 파일 1).

그림 4a는 V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 강유전체 ZrO_x NCFET의 측정된 전송 곡선을 보여줍니다. 두 소자의 L_G는 4 µm입니다. 각각 V_DS = -0.05 V, I_ds = 1 nA/µm에서 0.24 V, V_DS = -0.5 V, I_DS = 1 nA/µm에서 0.14 V의 시계 방향 히스테리시스 루프가 나타납니다. 그림 4b에 ZrO_x NCFET와 제어 FET의 출력 특성을 비교했습니다. ZrO_x NCFET의 포화 전류는 30 µA/µm을 초과하며, |V_GS-V_TH| = |V_DS| = 1 V에서 제어 FET 대비 12% 상승했습니다. 향상된 전류 향상과 더 명백한 NDR은 5 nm HfO₂ 박막 대비 비정질 ZrO_x 박막(5 nm)의 향상된 NC 효과를 나타냅니다. 그림 4c는 V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 5 nm ZrO_x NCFET의 게이트 누설 I_G-V_GS 곡선을 비교합니다. 그림 3c의 Al₂O₃/HfO₂ NCFET에서 역방향 스위핑 중에만 발생한 급격한 I_G 감소와 달리, 그림 4c에서 순방향과 역방향 스위핑 모두에서 급격한 I_G 감소가 발생함으로써 비정질 ZrO_x 박막의 향상된 NC 효과를 입증합니다.

그림 5a, b는 V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 Al₂O₃/HfO₂와 ZrO_x NCFET의 I_DS 함수로서의 포인트 SS를 보여줍니다. 그림 5b에서 보듯, V_DS = -0.05 V와 -0.5 V에서 V_GS의 순방향 또는 역방향 스위핑 동안 서브-60 mV/decade 서브임계 스윙(SS)을 달성할 수 있습니다. V_DS = -0.05 V일 때 순방향 포인트 SS 45.1 mV/dec, 역방향 포인트 SS 55.2 mV/dec를 달성했습니다. V_DS = -0.5 V일 때 순방향 포인트 SS 51.16 mV/dec, 역방향 포인트 SS 46.52 mV/dec를 달성했습니다. Al₂O₃/HfO₂와 ZrO_x 층의 상이한 포집 효과 능력으로 인해 Al₂O₃/HfO₂ NCFET에서 부분적 쌍극자 스위칭이 발생합니다. 따라서 5 nm ZrO_x NCFET에서 서브-60 mV/decade SS를 가진 더 명백한 NC 효과가 달성됩니다.

결론

서브-60 mV/decade SS, 1 V 저동작 전압, 60 mV 미만의 히스테리시스를 가진 강유전체 NC ZrO_x pFET의 시연을 보고합니다. 비정질 ZrO_x 박막이 강유전체 행동에 미치는 영향은 산소 공극 쌍극자로 설명됩니다. Al₂O₃/HfO₂ NCFET와 ZrO_x NCFET에서 제어 소자 대비 향상된 I_DS와 NDR 현상도 얻었습니다. Al₂O₃/HfO₂ NCFET의 억제된 NC 효과는 Al₂O₃/HfO₂ 계면의 계면 쌍극자로 인한 부분적 쌍극자 스위칭에 기인할 수 있습니다. 서브-60 mV/decade 가파른 슬로프, 향상된 드레인 전압, 낮은 동작 전압을 가진 ZrO_x NCFET는 미래 저전력 NCFET 설계에 새로운 길을 열어줍니다.

데이터 및 자료 가용성

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약어

TaN:

탄탈륨 질화물

ZrO_x:

이산화 지르코늄

TDMAZr:

테트라키스(디메틸아미도) 지르코늄

P_r:

잔류 분극

E_c:

강제 전기장

MOSFETs:

금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터

Ge:

게르마늄

ALD:

원자층 증착

B⁺:

붕소 이온

Al₂O₃:

산화 알루미늄

HRTEM:

고해상도 투과 전자 현미경

Ni:

니켈

RTA:

급속 열 어닐링

I_DS:

드레인 전류

V_GS:

게이트 전압

V_TH:

임계 전압

NCFET:

음전용량 전계효과 트랜지스터

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