Ge N-Channel MOSFET's met ZrO2-diëlektricum voor verbeterde mobiliteit

Resultaten en discussie

De gemeten capaciteit (C ) en de lekstroom (J ) kenmerken voor Ge MOS-condensatoren op wafers A, B en C worden gemeten en weergegeven in respectievelijk Fig. 3a, b. De equivalente oxidedikte (EOT) van de apparaten op de wafels A, B en C wordt geëxtraheerd op respectievelijk 1,79, 0,59 en 0,83 nm. Uitgaande van de GeO_x IL biedt een extra EOT van ~ 0,25 nm voor wafers A en C door wafers B en C te vergelijken, de 3,3 nm ZrO₂ draagt ​​bij aan een EOT van ~ 0,6 nm met een κ-waarde van ~ 21,8, wat consistent is met de eerder gerapporteerde waarde van amorf ZrO₂ [11].Deze afgeleide resultaten bevestigen ook dat de dikte in GeO_x IL op wafer B is verwaarloosbaar.

een Gemeten C als functie van spanning V kenmerken voor Ge pMOS-condensatoren op wafers A, B en C. b J versus V curven voor de apparaten. c Benchmarking van J (uitgepakt op V _FB ±-1 V) van de Ge MOS-condensatoren in dit werk tegen gegevens die zijn verkregen voor vergelijkbare bias-condities uit de literatuur

De GeO_x /Al₂ O₃ IL voor wafer A en GeO_x IL voor wafer C produceert de EOT van respectievelijk ~ -1.2 en ~ -0.25 nm. De EOT van de apparaten kan verder worden verminderd door de IL-dikte te verminderen of de interfacekwaliteit te verbeteren en de permittiviteit van ZrO₂ te verbeteren met enige oppervlaktepassivering, bijv. NH₃ /H₂ plasmabehandeling [6]. Afbeelding 3c vergelijkt J versus EOT-kenmerken voor de Ge nMOSFET's in dit werk tegen waarden voor andere gerapporteerde Ge-apparaten [5, 12,13,14,15,16,17]. Er wordt ook waargenomen dat de resultaten consistent zijn met de gerapporteerde Ge MOS met ultradunne EOT die dezelfde trends volgt, wat aangeeft dat het verschil in lekstroom getoond in Fig. 3b voornamelijk te wijten moet zijn aan het verschil van EOT.

Afbeelding 4a toont gemeten afvoerstroom (I _D ) en bronstroom (I _S ) versus poortspanning (V _G ) krommen van Ge nMOSFET's van wafers A, B en C. Alle transistors hebben een poortlengte L _G van 4 μm en een poortbreedte W van 100 μm. De punt subthreshold swing (SS), gedefinieerd als dV _G /d(logIk _D ), als functie van I _D curven voor de transistors in figuur 4a worden berekend en weergegeven in figuur 4b. Er wordt verduidelijkt dat de transistor op wafer A de gedegradeerde I . vertoont _D lekvloer en SS vergeleken met de apparaten op wafers B en C. Behalve dat de toename van EOT in apparaten op wafer A de toename van SS zou veroorzaken, moeten deze fenomenen deels worden toegeschreven aan het feit dat het apparaat met de Al ₂ O₃ ingevoegde laag heeft een hogere dichtheid van interface-traps (D _het ) binnen de bandgap van het Ge-kanaal in vergelijking met de wafers B en C.

een Gemeten I _D en ik _S versus V _GS krommen van Ge nMOSFET's op wafers A, B en C. b Punt SS als functie van I _D voor de transistoren. c Ik _D –V _D kenmerken tonen aan dat de Ge nMOSFET op wafer A een hogere aandrijfstroom heeft in vergelijking met de apparaten op wafers B en C

Afbeelding 4c toont de gemeten uitgangskarakteristieken, d.w.z. I _D –V _D curven voor verschillende waarden van gate-overdrive |V _G –V _TH | van de apparaten die aantonen dat de Ge-transistor op wafer A een aanzienlijk verbeterde aandrijfstroom bereikt in vergelijking met de apparaten op wafers B en C. Hier, V _TH is gedefinieerd als V _GS corresponderend met een I _D van 10 ⁻⁷ A/μm. Gezien de identieke voorwaarden voor S/D-vorming, is de versterkte I _DS voor transistors op wafer A geeft de hogere μ . aan _eff [18,19,20,21]. De Al₂ O₃ laag heeft niet geleid tot de degradatie van D _het optreden in de buurt van de geleidingsband van het Ge-kanaal.

Afbeelding 5a toont de totale weerstand R _tot als een functie van L _G voor de Ge nMOSFET's met ZrO₂ diëlektricum met een L _G variërend van 2 tot 10 µm. De waarden van R _tot worden geëxtraheerd met een gate-overdrive van 0,6 V en een V _D van 0,05 V. De S/D-weerstand R _SD van de transistors wordt geëxtraheerd om ~ 13,5 kΩ μm te zijn, gebruikmakend van de gepaste lijnen die elkaar kruisen op de y -as. De vergelijkbare R _SD is consistent met het identieke proces van PMA- en S/D-vorming. De kanaalweerstand R _CH waarden van de apparaten worden verkregen door de helling van de aangebrachte lijnen, d.w.z. ΔR _tot /ΔL _G , die kan worden gebruikt voor het berekenen van de μ _eff kenmerken van Gen nMOSFET's. Om de interfacekwaliteit te evalueren, worden interface-trapdichtheden (D _het ) werden geëxtraheerd met de volgende vergelijking volgens de methode van Hill [17]:

waar q is de elektronische lading, A is de oppervlakte van de condensator, G _m,max is de maximale waarde van de gemeten geleiding, met de bijbehorende capaciteit C _m , ω is de hoekfrequentie, en C _os is poortoxidecapaciteit. De D _het waarden worden berekend als 3,7, 3,2 en 2,3 × 10 ¹² eV ⁻¹ cm ⁻² voor de apparaten op respectievelijk wafers A, B en C.

Het is bekend dat de berekende waarden overeenkomen met de midgap D _het . Het apparaat met Al₂ O₃ IL op wafer A heeft een hogere midgap D _het vergeleken met de apparaten op wafels B en C. Dit komt overeen met de resultaten in Fig. 3a en 4a, en de hogere midgap D _het geeft aanleiding tot een grotere dispersie van de uitputtingscapaciteit in wafer A, wat een hogere lekstroom van I veroorzaakt _DS in vergelijking met de andere twee wafels. Merk op dat de wafer A de lagere D . moet hebben _het nabij de geleidingsbandgap vanwege de hogere μ _eff over wafels B en C.

een R _tot versus L _G krommen voor Ge nMOSFET's op wafers A, B en C. De gepaste lijn die elkaar kruist op de y-as en de helling van lineaire aanpassingslijnen worden gebruikt om de R te extraheren _SD en R _CH , respectievelijk. b μ _eff voor de Ge nMOSFET's in dit werk versus eerder gepubliceerde resultaten voor ongespannen Ge-transistors. De apparaten op wafer A tonen de verbeterde μ _eff dan de universele Si-mobiliteit in het hele bereik van Q _inv

Het is algemeen bekend dat μ _eff is de bottleneck voor hoge aandrijfstroom en transconductantie in Gen nMOSFET's. Hier, μ _eff kan worden berekend door \(\mu_{{{\text{eff}}}} =1/[WQ_{{{\text{inv}}}} (\Delta R_{{{\text{tot}}}} /\Delta L_{{\text{G}}} )]\), waarbij ΔR _tot /ΔL _G is de helling van de R _tot versus L _G zoals weergegeven in Fig. 5a. V _inv kan worden verkregen door de gemeten C . te integreren _inv –V _G bochten. In Fig. 5b vergelijken we de μ _eff versus Q _inv van de Ge nMOSFET's op wafers A, B en C met die eerder gerapporteerd in [18, 22,23,24,25]. De geëxtraheerde piek μ _eff waarden van de transistors op wafers A en C zijn 795 en 682 cm ² /V s, en die van Ge nMOSFET's op wafer B is 433 cm ² /Vs. Ge nMOSFET's met Al₂ O₃ IL bereikt een significant verbeterde μ _eff in vergelijking met de transistors op wafer B of C, de apparaten in [18, 22,23,24,25] in een hoog veld en Si universele mobiliteit in de hele Q _inv bereik. Op een Q _inv van 5 × 10 ¹² cm ⁻² , een 50% μ _eff verbetering wordt bereikt in apparaten op wafer A in vergelijking met de Si universele mobiliteit. Dit toont aan dat door het kanaaloppervlak te beschermen om vermenging van ZrO₂ . te voorkomen en GeO_x met behulp van Al₂ O₃ , wordt een hoogwaardige interface tussen gate-isolator en Ge gerealiseerd om de mobiliteitskenmerken te verbeteren, wat ook is gerapporteerd in de eerdere studies van Ge MOSFET's met ultradunne EOT [26]. μ _eff in transistors op wafer C is hoger dan de Si-universeel bij een Q _inv van 2,5 × 10 ¹² cm ⁻² , hoewel het snel vervalt met de toename van Q _inv bereik. Dit geeft aan dat de gebruikte O₃ oxidatie voor ZrO₂ depositie zou de grensvlakkwaliteit tot op zekere hoogte verbeteren; het leidt echter niet tot voldoende vlak kanaaloppervlak om de verstrooiing van de oppervlakteruwheid van de drager bij hoge Q effectief te onderdrukken _inv door de vermenging van ZrO₂ en GeO_{x ,} omdat is gemeld dat het genereren van zuurstofvacatures tijdens het mengen de ruwheid op korte termijn (SRO) zou vergroten [27]. De O₃ . optimaliseren oxidatieproces of reductie van de Al₂ O₃ IL-dikte kan ervoor zorgen dat de Ge-transistor een lagere EOT bereikt terwijl een hogere μ . wordt behouden _eff op de hoge Q _inv .