Metal-Ge Contactweerstand Verlagen met ZnO Interlayers en Argon Plasma: Ohmische Al Contacten op n-Ge Bereiken

Samenvatting

We presenteren een systematische studie van metal-isolator-halfgeleider (MIS) contacten op n-Ge die een dunne ZnO-interfaciale laag (IL) incorporeren om Fermi-niveau-pinning (FLP) aan de metal/Ge-interface te onderdrukken. Een bescheiden geleidingsbandverschuiving van 0,22 eV tussen ZnO en n-Ge wordt waargenomen, wat, samen met de IL, een significante reductie in contactweerstand (R_c) oplevert vergeleken met apparaten zonder ZnO. Argon (Ar) plasma-behandeling van de ZnO verlaagt R_c verder door de concentratie van zuurstofvacatures (V_o) te verhogen, die werken als n-type dopanten. Ohmisch gedrag wordt bereikt voor Al/ZnO/n-Ge met een Ge-dragertjesconcentratie van 3 × 10¹⁶ cm⁻³. Voor zwaar gedopeerd n⁺-Ge (P⁺ geïmplanteerd) wordt een specifieke contactweerstand van 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² bereikt met Ar plasma-behandelde ZnO.

Achtergrond

Germanium biedt superieure drager mobiliteiten vergeleken met silicium, wat het een primair kandidaat maakt voor geavanceerde MOSFETs [1, 2]. Terwijl vooruitgang in gespannen Ge-kanalen, oppervlaktepassivatie en bron/drain-contacten heeft geleid tot ultra-geschaalde Ge p-FinFETs die Si-gelijkenaren overtreffen [3–11], worstelen n-kanaal Ge-apparaten nog steeds met slechte interfacekwaliteit, beperkte n-type dopantactivering en sterke FLP die de Schottky-barrièrehoogte verhoogt tot ~0,5 eV voor de meeste metalen op n-Ge [13–15].

Het invoegen van een dunne IL zoals TiO₂ [16] of ZnO [17] kan het Fermi-niveau depinnen door metaal-geïnduceerde gap-toestanden (MIGS) te blokkeren [18, 19, 20]. ZnO is bijzonder aantrekkelijk omdat het een kleine geleidingsbandverschuiving met Ge heeft, wat een dunner uitgedund gebied en potentieel lagere R_c mogelijk maakt dan TiO₂ (wat een positieve verschuiving heeft) [16]. Bovendien kan ZnO gemakkelijk n-gedopeerd worden via zuurstofvacatures (V_o), wat de uitgedunde breedte verder verlaagt. Conventionele vacaturecreatie door stikstof-annealing riskeert interdiffusie en dopantmigratie, wat een laagtemperatuurbenadering noodzakelijk maakt [23–25].

Dit werk verkent FLP-vermindering met behulp van atomaire laag depositie (ALD)-gegroeide ZnO IL's en onderzoekt de impact van Ar plasma-behandeling op de contactweerstand van Al/ZnO/n-Ge.

Methoden

Metalcontacten werden gefabriceerd op licht gedopeerde (≈3 × 10¹⁶ cm⁻³) en zwaar gedopeerde n-Ge(001) wafers. De laatste werden geproduceerd door 30 keV P⁺ implantatie (1 × 10¹⁵ cm⁻²) gevolgd door 600 °C, 60 s snelle thermische annealing. Na reinigen met gedeioniseerd water en verdund HCl, werden de wafers overgebracht naar een ALD-kamer (Beneq TSF-200) om ZnO te depositieren bij 150 °C met DEZn en H₂O precursors. Drie ZnO-diktes (1, 2, 3 nm) werden onderzocht; diktes werden geverifieerd door spectroscopische ellipsometrie (SE). Al-contacten gesputterd en gepatterneerd door lift-off. Sommige ZnO-films ontvingen Ar plasma-behandeling (50 W, 60 sccm, 45 s). Contactweerstand werd geëxtraheerd met de circulaire transmissielijnmethode (CTLM); blootgestelde ZnO werd volledig geëtst om apparaten te isoleren [16]. Elektrische metingen gebruikten een Keithley 4200 SCS. Structurele en chemische analyses gebruikten HRTEM, XPS en UV-VIS spectroscopie (PerkinElmer LAMBDA 950) om de bandkloof van ZnO te bepalen.

Resultaten en Discussie

Materiaal Karakterisering van Al/ZnO/n-Ge

Figuur 1 toont XPS valentieband-spectra voor bulk ZnO, ZnO/Ge-interface en zuiver Ge, wat bepaling van de valentiebandverschuiving (VBO) van 2,33 eV mogelijk maakt. Gecombineerd met de ZnO-bandkloof van 3,21 eV (Fig. 2a), is de geleidingsbandverschuiving (CBO) bij ZnO/Ge 0,22 eV (Fig. 2b), wat effectieve FLP-onderdrukking bevestigt. HRTEM (Fig. 3) onthult een uniforme, amorfe 3 nm ZnO-laag die past aan de Al en Ge-oppervlakken, met een dunne GeO_x interfaciale laag (<3 nm) gevormd bij de depositietemperatuur van 150 °C.

Ar plasma-behandeling verhoogt de dichtheid van zuurstofvacatures, zoals bewijzen door de verschuiving van de O 1s-piek naar lagere bindingsenergie in XPS (Fig. 4). Deze vacatureverrijking verlaagt de tunnelbarrière en serieweerstand aan de Al/ZnO-interface, direct bijdragend aan lagere R_c [36]. Na-plasma VBO daalt met 0,05 eV (Fig. 5), wat een CBO van 0,17 eV en verdere FLP-vermindering aangeeft.

Elektrische Prestaties van Al/ZnO/n-Ge Contacten

Stroom-spanning metingen (Fig. 6a) tonen aan dat Al/n-Ge apparaten zonder ZnO rectifierend gedrag vertonen door FLP, terwijl Al/ZnO/n-Ge apparaten verbeterde omgekeerde stroom en verminderde barrièrehoogte tonen. Een 2 nm ZnO-dikte balanceert MIGS-onderdrukking en serieweerstand, wat de optimale prestaties oplevert. Ar plasma-behandeling van de 2 nm ZnO-laag verbetert zowel voorwaartse als omgekeerde stromen (Fig. 6b), wat de rol van vacature-geïnduceerde doping bevestigt.

Ohmisch gedrag wordt bereikt voor Al/2 nm ZnO/n-Ge over een reeks plasma-blootstellingstijden (15–60 s). De totale weerstand R_tot daalt met plasma-duur, bereikend een specifieke contactweerstand van 3,66 × 10⁻³ Ω cm² na 45 s (Fig. 8). De vlekweerstand van het Ge-kanaal blijft onveranderd, wat aangeeft dat de plasma selectief ZnO doopt in plaats van het Ge-substraat.

Voor zwaar gedopeerd n⁺-Ge toont de Al/2 nm ZnO contact (plasma-behandeld 45 s) uitstekend ohmisch gedrag (Fig. 9). Geëxtraheerde waarden zijn een vlekweerstand van 64 Ω/□ en een specifieke contactweerstand van 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm², wat eerdere gerapporteerde metal/Ge contacten zoals Ni/GeSn, Ni/Ge en Ti/TiO₂/GeO₂/Ge [40–43] overtreft. De superieure prestaties worden toegeschreven aan de dunne, hoog gedopeerde ZnO IL en de verminderde FLP.

Conclusies

Invoeging van een dunne ZnO IL depint effectief het Fermi-niveau in Al/ZnO/n-Ge structuren, bevestigd door XPS band-uitlijning. Ar plasma-behandeling verhoogt de zuurstofvacatureconcentratie verder, wat de n-type doping van ZnO verbetert en de contactweerstand dramatisch verlaagt. Ohmische Al-contacten worden bereikt op zowel licht als zwaar gedopeerd n-Ge, met specifieke weerstanden van 3,66 × 10⁻³ Ω cm² (n-Ge) en 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² (n⁺-Ge) wanneer ZnO plasma-behandeld wordt bij 50 W gedurende 45 s.