Performance improvements in complementary metal oxide semiconductor devices and circuits based on fin field-effect transistors using 3-nm ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2
- Resource Type
- Original Paper
- Authors
- Zhang, Zhao-Hao; Luo, Yan-Na; Xu, Gao-Bo; Yao, Jia-Xin; Wu, Zhen-Hua; Zhao, Hong-Bin; Zhang, Qing-Zhu; Yin, Hua-Xiang; Luo, Jun; Wang, Wen-Wu; Tu, Hai-Ling
- Source
- Rare Metals. :1-8
- Subject
- FinFET
Ferroelectric
Hafnium zirconium oxide
Subthreshold swing
Low power
- Language
- English
- ISSN
- 1001-0521
1867-7185
摘要: 由于铁电(Fe)栅介质的铁电场效应晶体管(FeFET)可以诱导出负电容效应且通过材料介电常数提升来获得更强的栅控作用,因而在器件开关中具有超陡的亚阈值摆幅(SS),有望实现超低功耗集成电路应用。其中,基于铪(Hf)基高k介质进行元素掺杂(锆(Zr)、硅(Si)、镧(La)等)的Fe材料由于可以在较薄尺寸(<20nm)下获得稳定铁电性并具有较高的CMOS兼容性从而近来获得较多关注。目前,研究人员已经报道了通过集成铪锆氧(HZO)薄膜所形成的FeFET技术,获得了较明显的负电容效应,如负漏极诱导势垒降低(N-DIBL)、负微分电阻(NDR)、突破玻尔兹曼极限的超陡亚阈值斜率(<60 mV·dec-1)等,进而促使器件性能得到显著提升。然而,由于在先进CMOS技术节点中存在栅堆叠层需小于5nm的厚度限制,并且现有小于5nm的超薄HZO薄膜表现出明显的铁电性退化现象,因此基于超薄常规HZO 薄膜的Fe-FinFET器件性能难以获得提升,这阻碍了FeFET在先进CMOS逻辑器件及电路中的应用。研究人员提出一种通过Al掺杂技术提升超薄3nm HZO薄膜铁电性的方案,并通过TiAlC金属栅功函数盖帽层扩散方法实现该技术在先进CMOS FinFET器件中的集成,进一步完成基于该器件的环振电路设计与制备。由于Al掺杂3-nm HZO铁电性的增强,该研究工作在较低操作电压下获得FinFET驱动电流增加,并在55阶环振电路上实现了19.9%的振荡频率提升。