Ge pMOSFET's met hoge mobiliteit met amorfe Si-passivering:impact van oppervlakteoriëntatie

Resultaten en discussie

Figuur 3a geeft de gemeten I . weer _DS -V _GS en ik _G -V _GS krommen van de typische Ge pMOSFET's op (001)-, (011)- en (111)-georiënteerde oppervlakken met 0,9 nm t _Si , die de uitstekende overdrachtseigenschappen vertonen. Alle transistors hebben een poortlengte L _G van 3 μm en een poortbreedte W van 100 urn. De kanaalrichting is [110] voor alle oriëntaties. De ik _DS -V _DS curven van de apparaten gemeten bij verschillende gate overdrive V _GS -V _TH worden getoond in Fig. 3b. Hier, drempelspanning V _TH wordt gedefinieerd als de V _GS bij ik _DS van 10 ⁻⁷ A/μm. Het is waargenomen dat Ge(001) pMOSFET de hogere aandrijfstroom I . bereikt _AAN vergeleken met de transistors op (011) en (111) oppervlakken op de vaste V _GS -V _TH . Later zullen we laten zien dat dit wordt toegeschreven aan het feit dat Ge(001) pMOSFET's een hogere effectieve gatenmobiliteit hebben μ _eff in vergelijking met de apparaten op de andere twee oppervlakteoriëntaties. We voeren een uitgebreide vergelijking van elektrische prestaties uit voor de apparaten met de vaste t _Si van 0,9 nm, inclusief I _AAN , lekkage vloer I _lek , subthreshold swing (SS) en V _TH kenmerken. Ik _lek wordt gedefinieerd als het minimum I _DS bij V _DS van − 0,05 V. Figuur 4a geeft de statistische grafiek weer van de I _AAN voor Ge pMOSFET's op verschillende oriëntaties, en I _AAN werd gedefinieerd als I _DS op een V _DS van − 0,5 V en een V _GS -V _TH van − 0,8 V. Alle transistors in deze plot hebben de L _G van 3 μm en W van 100 urn. (001)-georiënteerde apparaten vertonen het verbeterde gemiddelde I _AAN in vergelijking met die op (011) en (111) oriëntaties, wat wordt toegeschreven aan de hogere μ _eff . Figuur 4b vergelijkt de I _lek voor de apparaten, wat aantoont dat Ge(001)-transistors de laagste I . hebben _lek van hen, en Ge(011) pMOSFET's hebben de lagere I _lek dan (111)-georiënteerde apparaten. Opgemerkt moet worden dat de I _lek wordt bepaald door de tegenstroom van de p ⁺ /n-junctie in het afvoergebied, dat wordt beïnvloed door de achtergrond-n-type dopingconcentratie in Ge-substraat en activering van de geïmplanteerde p ⁺ doteringen. De n-type doteringsconcentraties in de wafels met verschillende oriëntaties zijn niet exact gelijk. De oriëntatie van het oppervlak beïnvloedt de activeringssnelheid van het doteringsmiddel en de herkristallisatiekwaliteit van S/D-regio's. Bovendien, hoewel de I _G is lager dan I _DS vóór het inschakelen van de transistors, zou het de I . beïnvloeden _lek . Evenzo demonstreren (001)-georiënteerde Ge pMOSFET's de verbeterde SS-karakteristieken in vergelijking met andere twee oriëntaties, wat te wijten is aan het feit dat transistors op (001) oppervlak de lagere midgap-dichtheid van interfacestatus D hebben _het vergeleken met de andere apparaten. Afbeelding 4d laat zien dat de apparaten in verschillende oriëntaties de verschillende V . hebben _TH . Op basis van de resultaten in Fig. 4 wordt geconcludeerd dat, met de vaste t _Si van 0,9 nm verkrijgen (001)-georiënteerde Ge pMOSFET's de beste elektrische eigenschappen.

een Gemeten I _DS -V _GS en ik _G -V _GS krommen van (001)-, (011)- en (111)-georiënteerde Ge pMOSFET's met 0,9 nm t _Si met de uitstekende overdrachtseigenschappen. b Ik _DS -V _DS krommen gemeten bij verschillende V _GS -V _TH voor de apparaten

Vergelijking van a Ik _AAN , b Ik _lek , c SS, en d V _TH voor (001)-, (011)- en (111)-georiënteerde Ge pMOSFET's met een t _Si van 0,9 nm

De diktes van Si/SiO₂ IL in transistors met 0,9 nm t _Si op verschillende oppervlakteoriëntaties worden bestudeerd met behulp van inversiecapaciteit C _inv versus V _GS meting, zoals weergegeven in Fig. 5. Voorwaartse en achterwaartse veegmetingen vertonen de verwaarloosbaar kleine hysterese in de apparaten. De transistors vertonen de vergelijkbare grootte van C _inv , ~ 1.56 μF/cm ² , overeenkomend met de capacitieve effectieve dikte (CET) van 2,2 nm. Figuur 5b toont de statistische resultaten van verzadigde C _inv voor de apparaten, die het zeer kleine verschil in C . aantonen _inv in de transistors op verschillende oppervlakteoriëntaties. Dit geeft aan dat de passiveringssnelheid van amorf Si door magnetronsputteren onafhankelijk is van de oppervlakteoriëntatie. De regel van links-rechts verschuivingen van de C _inv -V _GS curven komt goed overeen met die van V _TH voor de apparaten in Fig. 4d, wat kan worden veroorzaakt door de enigszins verschillende dopingconcentratie in verschillende oriëntatiesubstraten.

een Vergelijking van inversie C _inv -V _GS krommen tussen de Ge pMOSFET's met 0,9 nm t _Si op verschillende oriëntaties. Zowel voorwaarts als achterwaarts vegen wordt getoond. b Statistische grafieken voor de verzadigde C _inv van de apparaten met de verwaarloosbare verschillen in C _inv in het inversieregime

Figuur 6 vergelijkt de mobiliteitskenmerken van de transistors met 0,9 nm t _Si op verschillende oppervlakteoriëntaties. De μ _eff werd geëxtraheerd met behulp van een op de totale weerstand gebaseerde methode [14]. Ge(001) pMOSFET's vertonen een veel hogere kanaalmobiliteit in vergelijking met de apparaten op (011) en (111) oriëntaties. Transistors op (001) substraat bereiken een piek μ _eff van 278 cm ² /V·s bij een inversieladingsdichtheid Q _inv van ~ 3.5 × 10 ¹² cm ⁻² , wat 2,97 keer hoger is dan de universele mobiliteit van Si. Oppervlakteruwheid bij het Si/Ge-grensvlak en dichtheid van grensvlaktoestanden (D _het ) kan μ . beïnvloeden _eff van de apparaten bij een hoge inversiedraaggolfdichtheid. Het is onwaarschijnlijk dat de commercieel gekochte Ge-wafels met verschillende oppervlakteoriëntaties het duidelijke verschil in oppervlakteruwheid hebben. Daarom wordt gespeculeerd dat de mobiliteitsverbetering in (001)-georiënteerde apparaten voornamelijk te wijten is aan verminderde dragerverstrooiing die wordt bijgedragen door interfacetoestanden. In dit werk evalueren we de midgap D _het van de apparaten, en met de vaste t _Si van 0,9 nm hebben de (001)-georiënteerde Ge pMOSFET's inderdaad de lagere midgap D _het vergeleken met de andere oriëntaties.

Perceel van μ _eff versus Q _inv voor Ge pMOSFET's met 0,9 nm t _Si op (001)-, (011)- en (111)-georiënteerde substraten. Ge(001) pMOSFET's bereiken de 2,97-voudige verbetering in μ _eff op een Q _inv van 3,5 × 10 ¹² cm ⁻² in vergelijking met de Si universele mobiliteit. De μ _eff werd geëxtraheerd met behulp van een op totale weerstand gebaseerde methode [17]

De impact van t _Si op de elektrische prestaties van Ge pMOSFET's wordt ook onderzocht. Afbeelding 7a, b geeft de gemeten I . weer _DS -V _GS en ik _DS -V _DS curven van respectievelijk de (111)-georiënteerde Ge pMOSFET's met t _Si van 0,5, 0,7 en 0,9 nm bij een V _DS van − 0,05 en − 0,5  V. De transistors hebben een L _G van 1,5 m. Er wordt waargenomen dat Ge pMOSFET's met 0,9 nm t _Si vertonen verbeterde overdrachtskenmerken in vergelijking met de apparaten met dunnere t _Si , maar ik _AAN van het apparaat neemt af met het toenemen van t _Si . Bij V _DS van − 1,5 V en V _GS -V _TH van − 0,8 V, Ge(111) pMOSFET met 0,5 nm t _Si toont een verbetering van 32% in I _AAN vergeleken met het apparaat met 0,9 nm t _Si . Figuur 8 plot de statistische resultaten van I _AAN , ik _lek , SS en V _TH van de Ge pMOSFET's op (111)-oriëntatie met verschillende t _Si . Uit Fig. 8a zien we dat transistors met 0,5 nm t _Si bereik de verbeterde I _AAN in vergelijking met de apparaten met dikkere t _Si , wat te wijten is aan de transistor met 0,5 nm t _Si die een kleinere CET heeft, wat leidt tot een hogere C _inv . Het valt op dat ik _lek neemt af met het toenemen van t _Si (Fig. 8b), en transistors met 0,5 nm t _Si heeft de inferieure SS-kenmerken dan die van de apparaten met een amorfe Si-passiveringslaag van 0,7 en 0,9 nm (figuur 8c). Dit kan te wijten zijn aan die transistors met 0,5 nm t _Si met een hogere midgap D _het . De relatie tussen SS en midgap D _het van Ge pMOSFET kan worden uitgedrukt door SS = ln(10) ⋅ (kT /q) ⋅ [1 + (C _het + C _d )/C _os ], waarbij C _os , C _d , en C _het zijn respectievelijk oxidecapaciteit, capaciteit van de uitputtingslaag en capaciteit van interface-traps. C _het kan worden berekend door q × D _het , waren D _het is de interface trap dichtheid. Hoewel transistor met 0,5 nm t _Si heeft de grotere C _os in vergelijking met de andere twee apparaten, is de hogere midgap D _het kan leiden tot de inferieure SS voor de apparaten met de dikkere t _Si . De oppervlaktepassivering heeft ook invloed op de I _lek van afvoer naar bron. Met het vegen van V _GS van positie naar negatief, gaat het kanaal over van accumulatiemodus naar inversiemodus. Als de D _het hoog is, worden sommige punten in het kanaaloppervlak vastgezet door de interface-vallen en kunnen de lekpaden worden gevormd, waardoor I toeneemt _lek van afvoer naar bron. Zoals getoond in Fig. 8d, tonen Ge(111) pMOSFET's de verschuiving van V _TH naar min V _GS richting met het verhogen van t _Si , die wordt toegeschreven aan de verhoogde CET. Bovendien lijkt de dichtheid van vallen in de onderste helft van de bandgap toe te nemen voor de dunnere t _Si , wat kan leiden tot de verschuiving van V _TH [2].

een Ik _DS -V _GS en ik _G -V _GS en b Ik _DS -V _DS krommen van Ge(111) pMOSFET's met verschillende t _Si . Transistor met 0,5 nm t _Si vertoont een verbetering van 32% in I _AAN vergeleken met het apparaat met 0,9 nm t _Si bij V _DS van − 1,5 V en V _GS -V _TH van − 0.8 V

Vergelijking van a Ik _AAN , b Ik _lek , c SS, en d V _TH voor (111)-georiënteerde Ge pMOSFET's met 0,5, 0,7 en 0,9 nm t _Si waaruit blijkt dat transistors met 0,5 nm t _Si heb de betere ik _AAN , maar erger SS en I _lek kenmerken in vergelijking met apparaten met dikkere t _Si

Afbeelding 9a toont de C _inv als een functie van V _GS krommen voor de Ge pMOSFET's op (111)-georiënteerd oppervlak met t _Si van 0,5, 0,7 en 0,9 nm gemeten bij een frequentie van 300 kHz. De CET-waarden in inversiegebieden worden geëxtraheerd op 1,8, 1,9 en 2,2 nm voor de apparaten met 0,5, 0,7 en 0,9 nm t _si , respectievelijk. μ _eff als een functie van Q _inv kenmerken van de apparaten worden geëxtraheerd en weergegeven in Fig. 9b. De (111)-georiënteerde Ge pMOSFET met 0,7 nm t _si bereikt de hoogste piekmobiliteit van 229 cm ² /V s, wat 2,27 keer hoger is in vergelijking met de universele Si-mobiliteit. Opgemerkt moet worden dat de apparaten met 0,5 nm t _Si vertonen een aanzienlijk verbeterde μ _eff over de transistors met dikkere t _Si bij hoge Q _inv (bijv. 10 ¹³ cm ⁻² ). Dit leidt ook tot de hogere I _AAN bij hoge V _GS -V _TH in de apparaten met 0,5 nm t _Si vergeleken met de apparaten met 0.7 en 0.9 nm t _Si . De μ _eff bij hoge Q _inv neemt af als t _Si neemt toe van 0,5 nm tot 0,7 ~ 0,9 nm, wat wordt toegeschreven aan het feit dat de grotere oppervlakteruwheid leidt tot een sterkere oppervlakteruwheidsverstrooiing van de dragers. Tijdens de passivering van het Ge-oppervlak met behulp van magnetronsputteren bij kamertemperatuur, wordt de diffusie van oppervlakte-atomen sterk onderdrukt. Dus met het toenemen van t _Si , is de oppervlakteruwheid groter, wat kan worden waargenomen aan de hand van de HRTEM-afbeeldingen in Fig. 2.

een C _inv -V _G kenmerken gemeten bij 300 kHz voor (111)-georiënteerde apparaten met 0,5, 0,7 en 0,9 nm t _Si . b μ _eff als een functie van Q _inv voor Ge pMOSFET's [17]

In Fig. 10 vergelijken we de μ _eff van de Ge pMOSFET's in dit werk met die van de gerapporteerde ontspannen Ge-transistors met Si door E-beam-verdamping, SiH₄ , Si₂ H_6, en Si₃ H₈ passivering. Vergeleken met het amorfe Si door E-beam-verdamping in Ref. [15], Ge pMOSFET's in dit werk vertonen de aanzienlijk verbeterde μ _eff . Het is te zien dat, op vergelijkbare CET, Ge pMOSFET's die amorfe Si-passivering gebruiken door magnetronsputteren, de lagere μ hebben _eff in vergelijking met de apparaten met Si₂ H₆ passivering. Het proces van passiveren met amorf Si moet verder worden geoptimaliseerd om de mobiliteit van de drager te verbeteren.

een μ _eff voor de Ge pMOSFET's in dit werk versus de gepubliceerde resultaten voor ontspannen Ge pMOSFET's. b , c Benchmarking van μ _eff geëxtraheerd op Q _inv = 5 × 10 ¹² en 1 × 10 ¹³ cm ⁻² respectievelijk van de Ge pMOSFET's met de verschillende CET-waarden [18, 19]

Ge pMOSFET's met de verschillende t _Si op (001)-georiënteerd oppervlak worden ook gekenmerkt. Afbeelding 11a, b illustreren de gemeten I _DS -V _GS en ik _DS -V _DS krommen, respectievelijk, van een paar Ge(001) pMOSFET's met 0,5 en 0,9 nm t _Si . Net als bij de (111)-georiënteerde apparaten, Ge(001) pMOSFET met 0,5 nm t _Si verkrijgt de verbetering in I _AAN maar de degradatie in I _lek vergeleken met de transistor met 0,9 nm t _Si .

een Gemeten I _DS -V _GS en ik _G -V _GS krommen van (001)-georiënteerde Ge pMOSFET's met 0,5 en 0,9 nm t _Si . b Ik _DS -V _GS rondingen van de apparaten

De middenopening D _het kenmerken van Ge pMOSFET's worden bestudeerd met de methode in [16], en waarden van D _het worden berekend door D _het = [SSlog(e)/(kT /q ) − 1]C _G /q , [16] waar q is de elektronenlading, k is de constante van Boltzmann, T is de absolute temperatuur, en C _G is de gemeten poortcapaciteit per oppervlakte-eenheid. Afbeelding 12 toont D _het als functie van de dikte van amorf Si met verschillende Ge-oppervlakteoriëntaties. Voor (111)-georiënteerd oppervlak, een apparaat met 0,7-nm t _si heeft de laagste D _het waarde. Met de 0,9 nm t _Si , (001)-georiënteerd apparaat heeft de lagere D _het vergeleken met de transistors op andere oriëntaties.

D _het versus de dikte van amorf Si met verschillende Ge-oppervlakteoriëntaties

Ten slotte vergelijken we de belangrijkste elektrische kenmerken van Ge pMOSFET's op de verschillende oriëntaties in Tabel 1. Met een vaste t _Si , Ge(001) pMOSFET heeft de verbeterde elektrische prestaties in vergelijking met de andere twee oriëntaties. De aandrijfstroom kan worden verbeterd door de t . te verminderen _Si van 0,9 nm tot 0,5 nm, wat te wijten is aan de dunnere t _Si biedt een aanzienlijk verminderde CET zonder degradatie in μ . te veroorzaken _eff .