硅基负电容场效应晶体管研究和制备

发布时间：2020-08-02 10:34

【摘要】：随着摩尔定律的发展,集成电路特征尺寸的不断缩小以及工艺的不断优化使得单一面积上集成的器件数量不断增多,在不断提升芯片性能的同时也使得功耗问题变得日益严重。如何获得陡峭亚阈值摆幅(Steep Subthreshold Swing),提高器件开关速度,降低器件功耗成为了研究的热点。在此背景下,人们提出了以铁电材料为栅介质的负电容场效应晶体管(Negative Capacitance Field Effect Transistor,NCFET)。NCFET能够突破传统MOSFET亚阈值摆幅为60mV/decade的物理极限,并且具有工作电压低(如小于0.5V)、器件开关性能好、导通电流高,与CMOS工艺兼容等优点,受到了大家的广泛关注。目前常用的铁电材料有BaTiO_3、P(Zr,Ti)O_3(PZT)、P(VDF-TrFE)(PVDF)等,但是这些铁电材料与传统CMOS工艺不兼容,因此在未来的应用中仍受到限制。2011年,T等人发现在high-k介质HfO_2中掺入Zr元素可以在很大范围内展现铁电性,并且可以很好的规避工艺不兼容的问题,因此Hf_(1-x)Zr_xO_2(HZO)材料在铁电存储器和铁电晶体管领域具有重大的应用前景。本文以HZO铁电薄膜为研究对象,研究了其材料特性以及相应负电容器件的电学性能。具体内容如下:(1)通过PEALD设备生长了不同Zr组分的Hf_(1-x)Zr_xO_2薄膜。XRD的测试结果表明,Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2薄膜在退火后表现出tetragonal(011)/orthorhombic(111)/cubic(111)的混合相。而正交相(orthorhombic)的存在证明了Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2的铁电性。AFM的测试结果显示Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2薄膜的均方根粗糙度随着退火温度的增加而增大,说明Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2在退火后开始结晶,晶粒的大小随着退火温度的增加而逐渐变大。此外,从XPS的测试结果可以发现,Hf_(1-x)Zr_xO_2薄膜的禁带宽度随着Zr组分的增加而增大,Si/Hf_(1-x)Zr_xO_2结构的价带差也随着Zr组分的增加而增大,而导带差则随着Zr组分的增加而减小,但是价带差和导带差均大于1eV,满足漏电流的要求。(2)研究了基于Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2薄膜的MFM(Metal/Ferroelectricity/Meta)结构以及MFS(Metal/Ferroelectricity/Si)结构的电学性能。从MFM结构的P-V特性曲线可以看出,HZO薄膜的剩余极化强度2P_r随着退火温度的增加先增大后减小,在550℃时,20nm的样品的2P_r为31.3μC/cm~2,30nm的样品的2P_r为26.9μC/cm~2,而矫顽电场E_C则随着退火温度的增加而单调增大。同时还发现,HZO薄膜的2P_r和E_C都随着测试电压的增加而增大。MFM结构的C-V特性测试结果显示,HZO薄膜的介电常数随退火温度的增加先增大后减小,在550℃退火时达到最大值,20nm样品的介电常数为36.5,30nm样品的介电常数为28.3。从不同界面处理的MFS结构的测试结果可以知道,用高温退火的方法可以在Si衬底表面形成一层质量较好的SiO_2钝化层,在Si和HZO薄膜之间能获得更好的界面。(3)用H_(0.5)Z_(0.5)O_2薄膜作为栅介质制备了Si NCFET器件。沟道长度为5μm的器件在退火后实现了61mV/decade的亚阈值摆幅,接近理想MOS器件60mV/decade的物理极限,Si NCFET的输入输出特性中出现了负微分电阻这一典型的负电容器件的特征,同时与Si MOS相比,SiNCFET的输出电流提高了38%,并且在C-V特性曲线中观测到了电容突然增大的现象。这些现象都证明了HZO薄膜具有铁电性和负电容效应。与此同时,我们还对不同沟道尺寸的器件进行了总结,结果发现随着沟道尺寸的增加,器件的栅极漏电流密度变大,输出电流减小,开关性能也相应地降低。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

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