Optimalisatie van Germanium pMOSFET-prestaties met ZrO₂-dielektrika: De rol van post-metaal en post-depositie annealing

Samenvatting

Deze studie onderzoekt hoe post-metaal annealing (PMA) en post-depositie annealing (PDA) de elektrische prestaties van Germanium p-type MOSFETs (pMOSFETs) beïnvloeden die een ZrO₂-graddielektrikum gebruiken. Apparaten die PDA overslaan tonen progressieve verbeteringen in aan-stroom (I_ON), subdrempelhelling (SS) en capaciteit-equivalente dikte (CET) naarmate de PMA-temperatuur stijgt van 350°C naar 500°C. De kristallisatie van ZrO₂ bij hogere PMA-temperaturen verhoogt de permitiviteit en verlaagt de interface-toestandsdichtheid (D_it), wat leidt tot een lagere CET en een hogere effectieve gatmobiliteit (μ_eff). Apparaten die een PDA-stap bij 400°C ontvangen bereiken een kleinere CET en een steilere SS, maar hun μ_eff is lager dan apparaten zonder PDA.

Achtergrond

Germanium (Ge) wordt steeds meer erkend als een hoog-mobiliteit p-kanaal materiaal voor next-generation CMOS, met gatmobiliteiten die silicium aanzienlijk overstijgen. Om dit voordeel ten volle te benutten, is een graddielektrikum van superieure kwaliteit en robuuste oppervlaktepassivering essentieel voor het bereiken van hoge effectieve dragermobiliteiten (μ_eff) en dryfstromen in Ge-transistoren. Verschillende high-k dielektrika - HfO₂, ZrO₂, La₂O₃ en Y₂O₃ - zijn verkend om de capaciteit-equivalente dikte (CET) onder 1 nm te brengen. Daarbij blinkt ZrO₂ uit door de hoge dielektrische constante (κ ≈ 28-30 in kristallijne fase) en uitstekende interfaciale kwaliteit met Ge. Kristallisatie van ZrO₂ is aangetoond om CET te verlagen en μ_eff te verhogen, doch de impact van verschillende annealing-routes op apparaatprestaties blijft onderzocht. Dit werk onderzoekt hoe PMA en PDA Ge pMOSFETs met ZrO₂-dielektrika beïnvloeden, en toont aan dat hogere PMA-temperaturen μ_eff aanzienlijk verbeteren en CET verlagen.

Methoden

De fabricatiestroom van Ge pMOSFETs met ZrO₂-dielektrika is geïllustreerd in Figuur 1a. Apparaten werden gegroeid op n-type Ge(001) wafers (0,088-0,14 Ω·cm). Na opeenvolgende HF (1:50) reiniging en DI spoeling, gingen de wafers in een ALD-kamer. Een ozon-post-oxidatie (OPO) stap - het depositeren van een 1-nm Al₂O₃-laag bij 300°C gevolgd door 15 min in-situ OPO - leverde oppervlaktepassivering. Vervolgens werd een 5-nm ZrO₂-laag gedeponeerd bij 250°C met TDMAZr en H₂O precursors, met de Zr-bron verwarmd tot 85°C. Geselecteerde monsters ondergingen PDA bij 400°C gedurende 60 s in een snelle-thermische annealer (wafer II); de overige wafers dienden als geen-PDA groep (wafer I). Een 100-nm TaN-graspard werd gesputterd, gepatroneerd en geëtst. Bron/drain regio's gevormd door BF₂⁺ implantatie (30 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), gevolgd door 15-nm Ni-contacten via lift-off. Tot slot werd PMA uitgevoerd bij 350, 400, 450 en 500°C gedurende 30 s om dopanten te activeren en metallisatie te voltooien.

Figuur 1b presenteert een SEM-weergave van een typisch apparaat, terwijl Figuur 1c de XTEM-dwarsdoorsnede toont die de gras, dielektrikum en bron/drain regio's benadrukt. Figuren 1d en 1e tonen dat de ZrO₂-laag volledig gekristalliseerd is na PMA bij 500°C, met een Al₂O₃-interfaciale dikte van ≈ 0,7 nm.

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de inversiecapaciteit (C_inv) versus grasspanning (V_GS) gemeten bij 300 kHz voor apparaten op wafer I. Geëxtraheerde CET-waarden zijn 1,95, 1,80, 1,67 en 1,52 nm voor PMA-temperaturen van 350, 400, 450 en 500°C respectievelijk. De reductie in CET met hogere PMA wordt toegeschreven aan ZrO₂-kristallisatie, die κ verhoogt van ~20-23 (amorf) naar ~28-30 (kristallijn) en de bulktrapdichtheid verlaagt. Deze verschuiving in C-V curves bevestigt verbeterde dielectrische kwaliteit.

Figuur 3a presenteert overdrachtskennlijnen en graslekstroom (I_G) voor de apparaten op wafer I. Alle transistoren hebben L_G = 4 µm en W = 100 µm. Graslekstroom blijft onder de drainstroom voor alle PMA-temperaturen. Opvallend bereikt het apparaat geanneald bij 500°C een I_ON/I_OFF ratio > 10⁴. Figuur 3b toont I_D-V_DS curves bij verschillende overdreven (|V_GS - V_TH|). Vergeleken met 350°C vertoont het 500°C apparaat 47% en 118% hogere dryfstromen bij V_DS = -1,0 V en |V_GS - V_TH| = 0,8 V respectievelijk. Figuur 3c vat I_ON-statistieken samen bij V_DS = -0,5 V en |V_GS - V_TH| = -1 V, wat bevestigt dat 500°C annealing superieure aan-prestaties levert door verlaagde bron/drain-weerstand, lagere CET en hogere μ_eff.

Figuur 4 presenteert statistische plots van midgap D_it, SS en V_TH voor de verschillende PMA-temperaturen. Geëxtraheerde D_it-waarden (via de maximum-conductantie methode) zijn 1,3 × 10¹³, 9,5 × 10¹², 9,2 × 10¹² en 6,3 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ voor 350, 400, 450 en 500°C respectievelijk. Het 500°C apparaat demonstreert de steilste SS door de kleinste D_it en CET. Hoewel D_it en SS boven de best-gerapporteerde Ge-transistoren blijven, kan verdere optimalisatie van het OPO-proces (Al₂O₃-dikte, oxidatietemperatuur, duur) additionele verbeteringen opleveren. V_TH verschuift positief met toenemende PMA-temperatuur, wat de verminderde CET en D_it weerspiegelt. Over het algemeen wordt de optimale elektrische prestatie bereikt met PMA bij 500°C.

Effectieve gatmobiliteit (μ_eff) wordt geëxtraheerd met de ΔR_tot/ΔL_G methode over apparaten met L_G variërend van 1,5 tot 9 µm. Figuur 5a toont R_tot versus L_G bij |V_GS - V_TH| = -1 V en V_DS = -0,05 V; de corresponderende R_SD-waarden zijn 7,85, 7,15, 6,10 en 4,35 kΩ·µm voor 350, 400, 450 en 500°C, wat verbeterde dopantactivering bij hogere PMA-temperaturen aangeeft. De helling ΔR_tot/ΔL_G is het kleinst voor het 500°C apparaat, wat een piek μ_eff van 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ oplevert - 31% hoger dan de 400°C tegenhanger. Bij hoge inversielading-dichtheden (Q_inv ≈ 1 × 10¹³ cm⁻²) behoudt het 500°C apparaat superieure mobiliteit. Kristallijne ZrO₂ verlaagt bulktrapdichtheid, wat remote Coulomb-verstrooiing minimaliseert, en het gladere ZrO₂/Ge-interface verlaagt oppervlakte-rouwheidsverstrooiing, wat de piekmobiliteit naar hogere Q_inv verschuift.

We onderzoeken nu de invloed van PDA op apparaatkenmerken. Figuur 6 vergelijkt C_inv-V_GS voor apparaten op wafer I (geen PDA) en wafer II (PDA bij 400°C) geanneald bij 400°C. Het PDA-apparaat vertoont een aanzienlijk lagere CET (1,29 nm vs. 1,80 nm). Figuur 7a toont dat PDA de graslekstroom verhoogt, waarschijnlijk door de verminderde CET. Echter, het apparaat zonder PDA levert een 24% hogere dryfstroom bij dezelfde overdreven (-0,8 V) in de verzadigingsregio, geïllustreerd in Figuur 7b.

Figuur 8 vat statistische resultaten van D_it, SS en V_TH samen voor apparaten met en zonder PDA. Het PDA-apparaat toont een lagere D_it en een gemiddelde SS van 142 mV/decade, wat een verbeterde ZrO₂/Ge-interface aangeeft. V_TH verschilt tussen de twee groepen, wat variaties in valdensiteit nabij de bandkloof weerspiegelt.

Figuur 9 toont R_tot vs. L_G voor de 400°C PMA-apparaten. R_SD is 7,15 kΩ·µm (geen PDA) en 7,30 kΩ·µm (PDA). Het PDA-apparaat vertoont een piek μ_eff van 211 cm² V⁻¹ s⁻¹, lager dan het 400°C geen-PDA apparaat. De verminderde mobiliteit wordt toegeschreven aan versterkte remote Coulomb-verstrooiing van vaste ladingen in het ZrO₂-dielektrikum.

Conclusies

We hebben systematisch onderzocht hoe PMA en PDA Ge pMOSFETs met ZrO₂-dielektrika beïnvloeden. Kristallisatie van het ZrO₂-graddielektrikum, bereikt door PMA bij 500°C, verlaagt CET aanzienlijk en verhoogt gatmobiliteit - wat resulteert in een piek μ_eff van 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ en verbeterde dryfstroom. Hoewel een PDA-stap bij 400°C CET en D_it verder verlaagt, gaat dit ten koste van mobiliteit en verhoogde lekkage ten opzichte van apparaten zonder PDA. Dus is hoge-temperatuur PMA zonder PDA de voorkeursroute voor het optimaliseren van Ge pMOSFET-prestaties.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.

Afkortingen

ALD:

Atoomlaagdepositie

BF₂⁺:

Borfluoride-ioon

CET:

Capaciteit-equivalente dikte

Ge:

Germanium

HF:

Hydrofluoric acid

HRTEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop

IL:

Interfaciale laag

MOSFETs:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect-transistoren

Ni:

Nikkel

PDA:

Post-depositie annealing

PMA:

Post-metaal annealing

SS:

Subdrempelhelling

TaN:

Tantalumnitride

TDMAZr:

Tetrakis(dimethylamido)zirconium

ZrO₂:

Zirconiumdioxide

μ_eff:

Effectieve draagmobiliteit