Hoog-Presterende Germanium pMOSFETs via Ozone-Geïnduceerde GeO_x Passivering: Een Vergelijkende Analyse met Plasma Na-Oxidatie

Samenvatting

We vergelijken de elektrische prestaties van germanium pMOSFETs die een GeO_x passiveringslaag ontvangen gevormd door ofwel ozone na-oxidatie (OPO) of plasma na-oxidatie (PPO). Beide processen worden toegepast op een Al₂O₃/n-Ge (001) substraat, gevolgd door een 5-nm HfO₂ gate dielectrica in situ gedeponeerd door ALD. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) bevestigen dat de PPO-behandeling een positieve drempelspanningsverschuiving en een lagere I_ON/I_OFF ratio introduceert, wat een gedegradeerde interface aangeeft. In tegenstelling levert OPO een vier-ordes-van-grootte hogere I_ON/I_OFF ratio, een steilere sub-drempelswing en superieure draagtermobiliteit. Een dikker Al₂O₃ blokkeringslaag in het OPO-proces verbetert de mobiliteit verder. Over het algemeen biedt OPO een effectievere route naar een hoogwaardige Ge/oxide interface en verbeterde effectieve mobiliteit in Ge pMOSFETs.

Achtergrond

Conventionele CMOS-apparaten benaderen hun fysieke limieten, wat het moeilijk maakt om prestaties te verhogen met alleen silicium. Germanium, met zijn hogere draagtermobiliteit, is opgedoken als een veelbelovend kanaalmateriaal, maar het bereiken van een lage interfacedichtheidstoestand (D_it) blijft een uitdaging door de instabiliteit van GeO₂ en losse bindingen. Talloze strategieën zijn onderzocht om de Ge/dielectrica-interface te passiveren, zoals het vooraf depositieren van silicium monolagen of het ontwerpen van zelf-passivering via intentionele GeO₂ groei. Oxidatietechnieken — waaronder hoge-druk oxidatie, ozone, H₂O plasma, en elektronen-cyclotron-resonantie (ECR) plasma — zijn toegepast om D_it te verminderen en thermische stabiliteit te verbeteren.

Recente studies hebben hoog-presterende Ge MOSFETs gedemonstreerd door na-oxidatie via een Al₂O₃/Ge interface. Bijvoorbeeld, een Ge CMOS inverter op Ge-on-isolator (GeOI) gebruikte snelle thermische annealing in zuurstof om GeO_x te groeien na een 1-nm Al₂O₃ laag. Ozone oxidatie, die reactiever is dan O₂, maakt lagere-temperatuur groei mogelijk, en heeft aangetoond de GeO_x diktecontrole en apparaatprestaties te verbeteren. Echter, een systematische vergelijking tussen ozone en plasma na-oxidatie op dezelfde Al₂O₃/n-Ge interface ontbrak.

In dit werk produceren we Ge pMOSFETs met zowel OPO als PPO op Al₂O₃/n-Ge interfaces en vergelijken hun elektrische kenmerken. Alle overige processtappen zijn identiek. De invloed van Al₂O₃ bloklaagdikte en de onderliggende mobiliteitsdegraderingsmechanismen worden ook onderzocht. Onze resultaten tonen aan dat OPO een superieure passiveringsmethode is voor toekomstige Ge MOSFET technologie.

Methoden

Ge pMOSFETs werden gefabriceerd op 4-inch n-Ge (001) wafers (weerstand 0,14–0,183 Ω cm). Na een verdunde HF (1:50) reiniging, werd een ~1 nm Al₂O₃ film gedeponeerd bij 300 °C door plasma-verbeterde ALD (PEALD) met trimethylaluminium (TMA) en H₂O. De dunne Al₂O₃/GeO₂ interfacielaag (aangeduid als AlO_x/GeO_x) werd vervolgens onderworpen aan ofwel 60 s zuurstofplasma (PPO) via een remote plasmabron of aan een 20-min ozone (OPO) behandeling in een 50% O₃/O₂ mengsel. Onmiddellijk na oxidatie werd een 5-nm HfO₂ gate dielectrica gedeponeerd bij 300 °C door ALD (60 cycli, met TDMAHf en H₂O). Een 100-nm TaN gate metaal werd gesputterd, gevolgd door lithografie en etching. Bron/drain regio's waren zelf-uitgelijnde BF₂⁺ geïmplanteerd (20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), afgedekt met 20 nm Ni, en geactiveerd door snelle thermische annealing bij 450 °C gedurende 30 s.

Doorsnede TEM-afbeeldingen onthullen de gate stack TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge voor PPO en OPO. In het PPO-monster scheidt een duidelijke AlO_x/GeO_x interlaag HfO₂ van Ge, terwijl het OPO-monster een meer diffuse interface toont, consistent met literatuurrapporten over GeO₂ dikte.

Resultaten en Discussie

Apparaatkarakterisatie werd uitgevoerd met een Keithley 4200-SCS systeem. Alle transistors hebben een gatellengte van 3 µm. Het PPO-apparaat (wafer A) toont een hogere verzadigde drainstroom, maar ook een hogere UIT-toestandsstroom vergeleken met de OPO-apparaten (wafers B en C). Belangrijk is dat de OPO-apparaten in enhancement-mode werken, terwijl het PPO-apparaat in depletion-mode blijft, wat rest p-type karakter aangeeft door een hogere D_it.

Statistische analyse van de I_ON/I_OFF ratio en sub-drempelswing (SS) bevestigt dat OPO-apparaten tot vier ordes van grootte hogere I_ON/I_OFF en een steilere SS bereiken, wat een schonere interface weerspiegelt. Het verhogen van de Al₂O₃ blokdikte van 10 naar 15 cycli verbetert de AAN-toestandsstroom, maar verlaagt de I_ON/I_OFF ratio door een grotere equivalente oxidedikte (EOT).

XPS-metingen op dummy-monsters (zonder HfO₂ en TaN) onthullen dat PPO een GeO_x laag produceert gedomineerd door Ge¹⁺ en Ge³⁺ soorten, terwijl OPO een hogere oxidatietoestandverdeling oplevert, het Ge¹⁺ component vermindert en een meer complete GeO₂ vorming aangeeft.

Gate-naar-bron C-V metingen bij 1 MHz tonen aan dat het OPO-proces resulteert in een hogere EOT vergeleken met PPO, met de 15-cycli OPO (wafer C) de grootste EOT vertonend. Dit wordt toegeschreven aan de dikker Al₂O₃ blokkeringslaag. Ondanks de hogere EOT, behouden de OPO-apparaten superieure SS en mobiliteit.

Totale weerstand (R_T) versus gatellengte analyse wijst erop dat PPO-apparaten lagere serie- en kanaalweerstanden hebben, consistent met de C-V data. Echter, de hogere R_SD en R_CH voor OPO-apparaten gecompenseerd door verbeterde mobiliteit.

Effectieve gatmobiliteit (μ_eff) werd geëxtraheerd uit de totale-weerstandshelling. OPO-apparaten vertonen hogere piek μ_eff dan PPO, met wafer C (15-cycli OPO) 283 cm²/Vs bereikend. Vergeleken met literatuur, vertegenwoordigt dit een 2,37× verbetering ten opzichte van siliciums universele mobiliteit bij een inversieladingsdensiteit van 5 × 10¹² cm⁻². Het mobiliteitsvoordeel wordt toegeschreven aan verminderde Coulomb-verstrooiing en betere interfacekwaliteit.

Conclusies

We hebben aangetoond dat Ge pMOSFETs met GeO_x passivering gefabriceerd via ozone na-oxidatie uitpresteren op die met plasma na-oxidatie. OPO levert hogere I_ON/I_OFF ratios, steilere sub-drempelswings en superieure piek μ_eff. Het verhogen van de Al₂O₃ blokkeringslaagdikte in het OPO-proces verbetert de mobiliteit ten koste van een grotere EOT. Deze bevindingen bevestigen dat OPO een effectieve passiveringsstrategie is voor hoogwaardige Ge/oxide interfaces, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor next-generation Ge MOSFET technologie.

Afkortingen

Al₂O₃:

Aluminiumoxide

ALD:

Atoomlaagdepositie

BF₂⁺:

Borfluoride ion

EOT:

Equivalente oxidedikte

Ge:

Germanium

GeO_x:

Germaniumoxide

HF:

Hydrofluoriumzuur

HfO₂:

Hafniumdioxide

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

MOSFETs:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistors

OPO:

Ozone na-oxidatie

PPO:

Plasma na-oxidatie

Q_inv:

Inversieladingsdensiteit

SS:

Subdrempelswing

XPS:

Röntgenfoto-elektronspectroscopie

μ_eff:

Effectieve gatmobiliteit