【摘 要】
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随着芯片集成度的提高、器件小型化的不断发展,由此带来的功耗问题也亟待解决。由于玻尔兹曼分布导致常规MOSFET的亚阈值摆幅（SS）无法降至60 m V/dec以下,负电容场效应晶体管（NCFETs）通过在栅介质中插入铁电薄膜材料获得内部电压放大,从而突破该限制。此外,二维材料MoS2因其较高的迁移率、几乎接近理想的开关特性以及良好的CMOS工艺兼容性,被视为纳米尺度晶体管沟道的优良材料。本文以Mo
【基金项目】
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2负电容场效应晶体管研究,批准号:61974048）','0001','ApLJNybhrH-9KFRZ4dAaWaH8MzCi_eP-Y_3VcuMkzhfzZF5LQ9Cbvw==');
">国家自然科学基金项目（高稳定低功耗陡峭斜率免回滞 MoS2负电容场效应晶体管研究,批准号:61974048）
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随着芯片集成度的提高、器件小型化的不断发展,由此带来的功耗问题也亟待解决。由于玻尔兹曼分布导致常规MOSFET的亚阈值摆幅（SS）无法降至60 m V/dec以下,负电容场效应晶体管（NCFETs）通过在栅介质中插入铁电薄膜材料获得内部电压放大,从而突破该限制。此外,二维材料MoS2因其较高的迁移率、几乎接近理想的开关特性以及良好的CMOS工艺兼容性,被视为纳米尺度晶体管沟道的优良材料。本文以MoS2作为沟道,Hf1-xZrxO2（HZO）作为铁电层,Al2O3作为匹配层,制备了MoS2沟道HZO NCFET,围绕其栅介质结构及其铁电性开展相关研究工作。实验方面:（1）制备不同Zr组分的HZO薄膜及NCFETs。发现随着Zr组分的增加,剩余极化强度Pr先增大后减小,Pr/Ec（Ec为矫顽场）的比值也先增大后减小,在Zr含量为50%时,HZO薄膜Pr值最大,相应的NCFET的亚阈值摆幅SS最小,达31.4 m V/dec,且根据“电容匹配”理论,该组分NCFET由负电容效应引起的逆时针回滞也最小;（2）制备不同厚度的HZO薄膜及NCFETs。发现不同厚度样品均存在负微分电阻（NDR）效应及电容尖峰现象。且随着HZO厚度增大,Pr值略有增加。当HZO厚度增大时,铁电电容|CFE|随之减小,SS因此降低。HZO厚度为6 nm时SS为31.4 m V/dec,厚度为9 nm时SS为28.2 m V/dec。但根据“电容匹配”理论,负电容引起的逆时针回滞随HZO厚度增加而增加,故考虑两者之间的折衷,确定出6nm的HZO为最佳值;（3）研究了Al2O3厚度对栅介质薄膜铁电性及MoS2NCFETs电学性能的影响。发现不同厚度样品均存在NDR效应及电容尖峰现象,且随着Al2O3厚度减小,Pr值略有增大。当Al2O3厚度减小时氧化层电容Cox随之增大,因此SS随之降低。Al2O3厚度为2 nm的MoS2NCFET的SS可降至31.4 m V/dec,开关比可达3.26×10~6,总的回滞窗口仅为29.6 m V。理论方面:利用Sentaurus TCAD构建了MoS2沟道HZO NCFET模型,并模拟观察到电压放大现象。仿真发现,Pr越大、HZO越厚、Al2O3越薄,器件的SS越低。同时发现,HZO及Al2O3厚度变化时,SS的降低伴随着负电容效应引起的回滞增大,与第四章实验结果变化趋势一致,验证了实验结果的正确。
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