High Mobility Ge pMOSFET's met ZrO2-diëlektricum:effecten van nagloeien

Resultaten en discussie

Inversiecapaciteit C _inv vs. V _GS curven gemeten met een frequentie van 300 kHz voor de apparaten op wafer I worden getoond in Fig. 2. De CET-waarden worden geëxtraheerd om -1,95, 1,80, 1,67 en 1,52 nm te zijn voor de apparaten met PMA op 350, 400, 450, en respectievelijk 500 °C. De kleinere CET wordt bereikt bij een hogere PMA-temperatuur door de kristallisatie van ZrO₂ . In het algemeen zijn de κ-waarden voor amorf en kristallijn ZrO₂ zijn respectievelijk ongeveer 20-23 en 28-30. Een 5 nm dik kristallijn ZrO₂ draagt ​​bij aan een EOT van ~ 0.7 nm. De verschuiving van C-V krommen met verschillende PMA-temperaturen is te wijten aan het feit dat kristallisatie de dichtheid van bulkvallen in ZrO₂ vermindert diëlektrisch.

Inversie C _inv -V _GS krommen voor de Ge pMOSFET's op wafer I met een PMA bij 350 °C, 400 °C, 450 °C en 500 °C

Figuur 3a toont de gemeten overdrachtskarakteristieken en poortlekstromen I _G van Ge pMOSFET's op wafer I met de verschillende PMA-temperaturen. Alle apparaten hebben een poortlengte L _G van 4 μm en een poortbreedte W van 100 urn. Ge pMOSFET's vertonen de veel lagere I _G vergeleken met ik _DS voor alle PMA-temperaturen. Een ik _AAN /Ik _UIT verhouding boven 10 ⁴ wordt bereikt voor het apparaat met een PMA bij 500 °C. De ik _DS -V _DS curven van de apparaten gemeten bij de verschillende gate overdrive |V _GS -V _TH | worden getoond in Fig. 3b. Opgemerkt wordt dat de drempelspanning V _TH wordt gedefinieerd als de V _GS bij ik _DS van 10 ⁻⁷ A/μm. De Ge-transistor met een PMA bij 500 °C behaalt de ~-47% en 118% aandrijfstroomverbetering vergeleken met de apparaten die zijn uitgegloeid bij respectievelijk 450 °C en 350 °C bij een V _DS van − 1.0 V en een |V _GS -V _TH | van 0,8 V. Figuur 3c toont de statistische grafiek van de I _AAN op een V _DS van − 0,5 V en een V _GS -V _TH van − 1 V voor Ge pMOSFET's met de verschillende PMA-temperaturen. Alle transistors in deze plot hebben een L _G van 4 μm en een W van 100 urn. Apparaten met een PMA bij 500 °C vertonen een verbeterde I _AAN in vergelijking met die met de lagere PMA-temperaturen, wat wordt toegeschreven aan de verminderde S/D-weerstand, de verminderde CET en de hogere μ _eff , die later zal worden besproken.

een Gemeten I _D , ik _S , en ik _G tegen. V _GS krommen van Ge pMOSFET's op wafer I met de PMA bij 350, 400, 450 en 500 ° C. b Ik _DS -V _DS krommen gemeten bij de verschillende V _GS -V _TH voor de apparaten. c Apparaat gegloeid bij 500 °C heeft een hogere stroomsterkte I _AAN vergeleken met de transistors met de PMA bij de lagere temperaturen

Figuur 4 toont de statistische plots van midgap D _het , SS en V _TH kenmerken voor de apparaten met de verschillende PMA-temperaturen. Zoals getoond in Fig. 4a, gebaseerd op de maximale geleidingsmethode [17], de midgap D _het waarden worden geëxtraheerd om 1,3 × 10 ¹³ . te zijn , 9,5 × 10 ¹² , 9,2 × 10 ¹² , en 6,3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ voor de apparaten met de PMA bij respectievelijk 350, 400, 450 en 500 °C. Figuur 4b laat zien dat Ge pMOSFET's gegloeid bij 500 ° C de verbeterde SS-kenmerken hebben dan de transistors die zijn uitgegloeid bij de lagere temperaturen, vanwege de kleinere midgap D _het en CET. De waarden van D _het en SS van Ge pMOSFET's met PMA zijn nog steeds hoger dan die van de best gerapporteerde Ge-transistoren. Het kan mogelijk worden verminderd door de OPO-passiveringsmodule te optimaliseren, bijvoorbeeld Al₂ O₃ dikte en ozon oxidatie temperatuur en duur. V _TH verschuift naar de positieve V _GS met de stijging van de PMA-temperatuur, die afkomstig is van de verlaagde CET en D _het . Er wordt geconcludeerd dat de beste elektrische prestaties worden bereikt voor Ge pMOSFET's met een PMA bij 500 °C.

Vergelijking van a midgap D _het , b SS en c V _TH voor Ge pMOSFET's op wafer I met de PMA bij 350, 400, 450 en 500 °C

μ _eff , als een cruciale factor die de aandrijfstroom en transconductantie van het apparaat in Ge pMOSFET's beïnvloedt, werd gemeten met behulp van de ΔR _tot /ΔL _G methode [18]. Een groot aantal apparaten is gemeten met L _G variërend van 1,5 tot 9 m. Figuur 5a illustreert de totale weerstand R _tot geëxtraheerd met een |V _GS -V _TH | van − 1 V en een V _DS van − 0,05 V als functie van L _G . De R _SD is de waarde waarbij de gepaste lijn snijdt op de y -as. De R _SD waarden werden geschat op ongeveer 7,85, 7,15, 6,10 en 4,35 kΩ ·μm voor apparaten met PMA bij respectievelijk 350, 400, 450 en 500 °C. Dit is indicatief voor de betere doteringsactivering van S/D bij hogere PMA-temperatuur. μ _eff kan worden geëxtraheerd door μ _eff = 1/[WQ _inv (ΔR _tot /ΔL _G )], waarbij Q _inv is de inversieladingsdichtheid in het Ge-kanaal en ΔR _tot /ΔL _G is de helling van de R _tot vs. L _G zoals getoond in Fig. 5a. De kleinere ΔR _tot /ΔL _G voor apparaten met PMA bij 500 °C duidt op een verbetering in μ _eff in vergelijking met transistors met PMA bij 450 °C. Afbeelding 5b toont μ _eff als een functie van Q _inv curven, geëxtraheerd met behulp van de split C -V methode. De mobiliteit van het piekgat is 384 cm ² /V ·s voor apparaten met een PMA bij 500 °C, wat 31% hoger is dan die van de apparaten met een PMA bij 400 °C. Bij een hoge Q _inv van 1 × 10 ¹³ cm ⁻² , Ge pMOSFET's die een PMA bij 500 ° C hebben ondergaan, bereiken een mobiliteitsverbetering in vergelijking met de apparaten die zijn uitgegloeid bij 400 ° C. Ge-transistors met kristallijn ZrO₂ hebben de lagere dichtheid van de bulktraplading, wat resulteert in een lagere Coulomb-verstrooiing op afstand van gaten, vergeleken met de apparaten met amorf ZrO₂ . Dankzij de gladde interface tussen kristallijn ZrO₂ en Ge, Ge-apparaten gegloeid bij 500 °C hebben een lagere verstrooiing van de oppervlakteruwheid en vertonen een verschuiving van piekmobiliteit naar de hogere Q _inv .

een R _tot als een functie van L _G op een V _GS -V _TH van − 1 V en een V _DS van − 0,05 V voor apparaten op wafer I met verschillende PMA-temperaturen. b μ _eff tegen. V _inv geëxtraheerd door de splitsing C -V methode. De hoogste mobiliteit wordt verkregen in apparaten met een PMA bij 500 °C

Vervolgens bespreken we de effecten van PDA op de elektrische kenmerken van Ge pMOSFET's. Afbeelding 6 toont de gemeten C _inv vs. V _GS van de Ge pMOSFET's op wafer I en wafer II met een PMA bij 400 °C. Het apparaat dat een PDA heeft ondergaan bij 400 °C heeft een veel lagere CET-waarde van 1.29 nm vergeleken met het apparaat zonder PDA, 1.80 nm. Afbeelding 7a toont de I _D , ik _S , en ik _G -V _GS karakteristieke curven van Ge pMOSFET's op wafer I en wafer II, en de apparaten die een PMA ondergingen bij 400 °C. Een grotere gate-lekstroom wordt verkregen voor het apparaat met PDA in vergelijking met de transistor zonder PDA, wat te wijten is aan de lagere CET. De bijbehorende I _DS -V _DS curven van de apparaten gemeten bij verschillende gate overdrive V _GS -V _TH worden getoond in Fig. 7b. De Ge-transistor zonder PDA vertoont een verbetering van ~-24% in stuurstroom ten opzichte van die met PDA bij 400 °C bij dezelfde overdrive van -0,8 V in het verzadigingsgebied.

C _inv -V _GS plots voor de apparaten op wafer I en II met een PMA bij 400 °C

een Ik _D , ik _S , en ik _G tegen. V _GS krommen van Ge pMOSFET's op wafer I en II met PMA bij 400 °C. b Ik _DS -V _DS krommen gemeten bij verschillende V _GS -V _TH voor de apparaten

Figuur 8 plot de statistische resultaten van midgap D _het , SS en V _TH van de Ge pMOSFET's met en zonder PDA. Figuur 8a laat zien dat de kleinere D _het wordt bereikt in Ge pMOSFET's met PDA bij 400 ° C in vergelijking met apparaten zonder PDA. In Fig. 8b wordt de lagere waarde van de gemiddelde subdrempelzwaai van 142 mV/decade bereikt voor apparaten met PDA bij 400 °C, wat overeenkomt met de lagere CET en de lagere D _het . Het geeft aan dat apparaten met PDA bij 400 °C een superieure ZrO₂ . hebben /Ge-interface. Afbeelding 8c laat zien dat apparaten met en zonder PDA een verschillende V . hebben _TH; het kan worden toegeschreven aan de dichtheid van vallen in de onderste bandgap die half dominant is in de V _TH .

Vergelijking van a midgap D _het , b SS en c V _TH voor Ge pMOSFET's op wafer I en II met PMA bij 400 °C

Afbeelding 9a toont de R _tot vs. L _G bochten bij een gate-overdrive van − 1 V en V _DS van − 0,05 V voor apparaten met een PMA bij 400 °C. De R _SD waarden worden geschat op respectievelijk 7,15 en 7,30 kΩ·μm voor apparaten zonder en met PDA bij 400 °C. Zoals getoond in Fig. 9b, een opmerkelijk hogere piek μ _eff wordt bereikt voor Ge pMOSFET's zonder PDA, wat overeenkomt met de kleinere ΔR _tot /ΔL _G in Fig. 9a, vergeleken met apparaten met PDA. De apparaten met een PDA bij 400 °C vertonen een piek μ _eff van 211 cm ² /V·s; de mobiliteit van het onderste gat kan voornamelijk worden toegeschreven aan de sterke Coulomb-verstrooiing op afstand die wordt bijgedragen door de vaste lading in ZrO₂ diëlektrisch.

een R _tot vs. L _G curven voor apparaten op wafer I en wafer II met PMA bij 400 °C. b Gatenmobiliteit μ _eff vs. Q _inv voor apparaten met en zonder PDA