Hoog-mobiliteit Germanium nMOSFETs met ZrO₂ gate dielectrica

Samenvatting

Hoog-mobiliteit Ge nMOSFETs met ZrO₂ gate dielectrica worden gedemonstreerd en vergeleken tegen transistoren met verschillende interface-eigenschappen van ozone (O₃) behandeling, O₃ na-behandeling en zonder O₃ behandeling. Het is gevonden dat met O₃ behandeling, de Ge nMOSFETs met ZrO₂ dielectrica met een EOT van 0,83 nm een piek effectieve elektronenmobiliteit (μ_eff) van 682 cm²/Vs verkrijgen, wat hoger is dan die van de Si universele mobiliteit bij de medium inversie lading dichtheid (Q_inv). Aan de andere kant, kan de O₃ na-behandeling met Al₂O₃ interface laag dramatisch verbeterde μ_eff leveren, bereikend ongeveer 50% μ_eff verbetering in vergelijking met de Si universele mobiliteit bij medium Q_inv van 5 × 10¹² cm⁻². Deze resultaten wijzen op de potentiële benutting van ZrO₂ dielectrica in hoog-prestatie Ge nMOSFETs.

Achtergrond

GERMANIUM (Ge) heeft voordelen getoond van hogere ladingdragermobiliteit en lagere verwerkingstemperatuur in vergelijking met Si apparaten. Deze maken Ge een alternatief voor toepassingen van ultraschaal CMOS logica apparaten en dun-film transistoren (TFTs) als bovenlaag in driedimensionale geïntegreerde schakelingen. In de afgelopen jaren zijn grote inspanningen gericht op oppervlaktepassivatie, gate dielectrica, en kanaal engineering voor Ge p-kanaal metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistoren (MOSFETs), wat heeft bijgedragen aan significante verbetering in elektrische prestaties voor de p-kanaal apparaten.

Maar voor Ge n-kanaal MOSFETs, lage effectieve ladingdragermobiliteit (μ_eff) veroorzaakt door slechte interface laag van gate stack beperkt de prestaties van de apparaten sterk. Verschillende oppervlaktepassivatie technieken waaronder Si passivatie, plasma na-oxidatie, en InAlP passivatie en verschillende high-κ dielectrica waaronder HfO₂, ZrO₂, Y₂O₃, en La₂O₃ zijn verkend in Ge nMOSFETs om de elektronen μ_eff te boosten. Het werd gedemonstreerd dat ZrO₂ dielectrica geïntegreerd met Ge kanaal een robuuste interface kan bieden door dat een GeO₂ interface laag kan reageren en intermengen met de ZrO₂ laag. Een fatsoenlijke gat μ_eff is gerapporteerd in Ge p-kanaal transistoren, terwijl er nog veel ruimte is voor verbetering in elektronen μ_eff voor hun tegenhangers.

In dit werk worden Ge nMOSFETs met ZrO₂ gate dielectrica geproduceerd om verbeterde μ_eff over Si in het gehele bereik van inversie lading dichtheid (Q_inv) te bereiken. Ge transistoren verkrijgen een 50% verbetering in elektronen μ_eff in vergelijking met de Si universele mobiliteit bij een medium Q_inv van 5,0 × 10¹² cm⁻².

Experimenteel

De sleutel processtappen voor het fabriceren van Ge nMOSFETs op 4-inch p-Ge(001) wafers met een resistiviteit van 0,136–0,182 Ω cm zijn getoond in Fig. 1a. De bron/drain (S/D) regio's werden geïmplanteerd met fosforionen bij een dosis van 1 × 10¹⁵ cm⁻² en een energie van 30 keV gevolgd door dopant activeringsannealing bij 600 °C. Na de pre-gate reiniging, werden Ge wafers geladen in een atomaire laag depositie kamer voor de vorming van de gate dielectrica laag(en): Al₂O₃/O₃ oxidatie/ZrO₂, ZrO₂, of O₃ oxidatie/ZrO₂ voor wafers A, B, of C, respectievelijk. Voor wafer A werd 0,9 nm Al₂O₃ gebruikt om het kanaaloppervlak te beschermen tijdens O₃ oxidatie. O₃ oxidatie werd uitgevoerd bij 300 °C gedurende 15 min voor zowel wafers A en C. Voor alle wafers was de dikte van ZrO₂ ~ 3,3 nm. Vervolgens werd TiN(100 nm) gate metaal gedeponeerd via fysieke reactieve sputtering, en lithografie patronering en reactieve ion etching werden gebruikt om de gate elektrode te vormen. Daarna werd een 25-nm-dikke Ni laag gedeponeerd in S/D regio's. Uiteindelijk werd de post-metallisatie annealing (PMA) bij 350 °C gedurende 30 s uitgevoerd om de Ni germanide te vormen en de interfacekwaliteit te verbeteren. Schematische en microscopische afbeeldingen van het geproduceerde transistor zijn getoond in Fig. 1b, c, respectievelijk.

Figuur 2a, b tonen de hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) afbeeldingen van de gate stacks op wafers A en B, respectievelijk. De uniforme dikte van de Al₂O₃/GeO_x interface laag (IL) voor wafer A is ~ 1,2 nm wat de 0,2–0,3 nm GeO_x aangeeft. Voor het apparaat op wafer B, werd een ultradunne GeO_x IL experimenteel gedemonstreerd.

Resultaten en Discussie

De gemeten capaciteit (C) en de lekkagestroom (J) karakteristieken voor Ge MOS condensatoren op wafers A, B, en C zijn gemeten en getoond in Fig. 3a, b, respectievelijk. De equivalente oxide dikte (EOT) van de apparaten op wafers A, B, en C is geëxtraheerd als 1,79, 0,59, en 0,83 nm, respectievelijk. Aannemend dat de GeO_x IL een extra EOT van ~ 0,25 nm levert voor wafers A en C door wafers B en C te vergelijken, draagt de 3,3 nm ZrO₂ een EOT van ~ 0,6 nm bij met κ waarde van ~ 21,8, wat consistent is met de eerdere gerapporteerde waarde van amorfe ZrO₂. Deze afgeleide resultaten bevestigen ook dat de dikte in GeO_x IL op wafer B verwaarloosbaar is.

De GeO_x/Al₂O₃ IL voor wafer A en GeO_x IL voor wafer C produceren de EOT van ~ 1,2 en ~ 0,25 nm, respectievelijk. De EOT van de apparaten kan verder verminderd worden door de IL dikte te verminderen of de interfacekwaliteit te verbeteren, en de permittiviteit van ZrO₂ te verbeteren met enige oppervlaktepassivatie, bijv., NH₃/H₂ plasma behandeling. Figuur 3c vergelijkt J versus EOT karakteristieken voor de Ge nMOSFETs in dit werk tegen waarden voor andere gerapporteerde Ge apparaten. Het wordt ook waargenomen dat de resultaten consistent zijn met de gerapporteerde Ge MOS met ultra-dunne EOT die dezelfde trends volgen, wat aangeeft dat het verschil in lekkagestroom getoond in Fig. 3voornamelijk toe te schrijven is aan het verschil in EOT.

Figuur 4a toont gemeten drainstroom (I_D) en bronstroom (I_S) versus gate spanning (V_G) curves van Ge nMOSFETs van wafers A, B, en C. Alle transistoren hebben een gate lengte L_G van 4 μm en een gate breedte W van 100 μm. De punt subthreshold swing (SS), gedefinieerd als dV_G/d(log I_D), als functie van I_D curves voor de transistoren in Fig. 4a is berekend en getoond in Fig. 4b. Het is verduidelijkt dat de transistor op wafer A de gedegradeerde I_D lekkagevloer en SS vertoont in vergelijking met de apparaten op wafers B en C. Naast de toename in EOT in apparaten op wafer A zou de toename van SS meebrengen, moeten deze verschijnelen deels toegeschreven worden aan het feit dat het apparaat met de Al₂O₃ ingevoegde laag een hogere dichtheid van interface vallen (D_it) binnen het bandgap van het Ge kanaal heeft in vergelijking met wafers B en C.

Figuur 4c toont de gemeten output karakteristieken, nl., I_D–V_D curves voor verschillende waarden van gate overdrive |V_G–V_TH| van de apparaten demonstrerend dat de Ge transistor op wafer A aanzienlijk verbeterde dryfstroom bereikt in vergelijking met de apparaten op wafers B en C. Hier, is V_TH gedefinieerd als V_GS corresponderend met een I_D van 10⁻⁷ A/μm. Overwegende de identieke voorwaarden voor S/D vorming, duidt de verhoogde I_DS voor transistoren op wafer A op de hogere μ_eff. De Al₂O₃ laag heeft niet geleid tot de degradatie van D_it prestaties nabij het geleidingsband van het Ge kanaal.

Figuur 5a toont de totale weerstand R_tot als functie van L_G voor de Ge nMOSFETs met ZrO₂ dielectrica met een L_G variërend van 2 tot 10 µm. De waarden van R_tot worden geëxtraheerd bij een gate overdrive van 0,6 V en een V_D van 0,05 V. De S/D weerstand R_SD van de transistoren wordt geëxtraheerd als ~ 13,5 kΩ μm, gebruikmakend van de gefitte lijnen doorsnijdend 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 gefitte lijnen, nl., ΔR_tot/ΔL_G, wat gebruikt kan worden voor het berekenen van de μ_eff karakteristieken van Ge nMOSFETs. Om de interfacekwaliteit te evalueren, werden interface val dichtheden (D_it) geëxtraheerd door de volgende vergelijking volgens Hill's methode:

$$D_{it} = \frac{{2G_{m\max} /\omega}}{{qA\left[ {\left( {\frac{{G_{mmax}}}{\omega C_{ox}}}} \right) + \left( {1 - C_{m}} /C_{ox} \right)^{2} } \right]}}$$

waarbij q de elektronische lading is, A het oppervlak van de condensator, G_m,max de maximum waarde van gemeten geleiding, met zijn corresponderende capaciteit C_m, ω de hoeksnelheid, en C_ox de gate oxide capaciteit. De D_it waarden worden berekend als 3,7, 3,2, en 2,3 × 10¹² eV⁻¹ cm⁻² voor de apparaten op wafers A, B, en C, respectievelijk.

Het is bekend dat de berekende waarden corresponderen met de midgap D_it. Het apparaat met Al₂O₃ IL op wafer A heeft een hogere midgap D_it in vergelijking met de apparaten op wafers B en C. Dit is consistent met de resultaten in Fig. 3a en 4a, en de hogere midgap D_it geeft aanleiding tot een grotere depletie capacitie dispersie in wafer A wat een hogere lekkagestroom van I_DS in vergelijking met de andere twee wafers veroorzaakt. Let op dat wafer A de lagere D_it nabij het geleidingsbandgap zou moeten hebben vanwege zijn hogere μ_eff over wafers B en C.

Het is goed bekend dat μ_eff de knelpunt is voor hoge dryfstroom en transconductantie in Ge nMOSFETs. Hier kan μ_eff berekend worden door μ_eff = 1/[WQ_inv (ΔR_tot/ΔL_G)], waar ΔR_tot/ΔL_G de helling is van de R_tot versus L_G zoals getoond in Fig. 5a. Q_inv kan verkregen worden door het integreren van de gemeten C_inv–V_G curves. In Fig. 5b, vergelijken we de μ_eff versus Q_inv van de Ge nMOSFETs op wafers A, B, en C met die gerapporteerd eerder in. De geëxtraheerde piek μ_eff waarden van de transistoren op wafers A en C zijn 795 en 682 cm²/V s, respectievelijk, en die van Ge nMOSFETs op wafer B is 433 cm²/V s. Ge nMOSFETs met Al₂O₃ IL bereiken een aanzienlijk verbeterde μ_eff in vergelijking met de transistoren op wafer B of C, de apparaten in, in een hoog veld, en Si universele mobiliteit in het gehele Q_inv bereik. Bij een Q_inv van 5 × 10¹² cm⁻², wordt een 50% μ_eff verbetering bereikt in apparaten op wafer A in vergelijking met de Si universele mobiliteit. Dit demonstreert dat door het kanaaloppervlak te beschermen voor het voorkomen van de intermenging van ZrO₂ en GeO_x met behulp van Al₂O₃, een hoge-kwaliteit interface tussen gate isolator en Ge gerealiseerd wordt om de mobiliteitskarakteristieken te boosten, wat ook gerapporteerd is in eerdere studies van Ge MOSFETs met ultradunne EOT. μ_eff in transistoren op wafer C is hoger dan de Si universele bij een Q_inv van 2,5 × 10¹² cm⁻², hoewel het snel vervalt met de toename in Q_inv bereik. Dit wijst erop dat de gebruikte O₃ oxidatie voor ZrO₂ depositie de interfacekwaliteit tot een bepaalde mate zou verbeteren; echter, het leidt niet tot voldoende vlak kanaaloppervlak om de oppervlakte ruwheidsverstrooiing van de ladingdrager bij hoge Q_inv effectief te onderdrukken door de intermenging van ZrO₂ en GeO_x, aangezien gerapporteerd wordt dat de generatie van zuurstofvacatures tijdens de intermenging de korte-orde (SRO) ruwheid zou verhogen. Het optimaliseren van het O₃ oxidatieproces of het verminderen van de Al₂O₃ IL dikte kan de Ge transistor laten bereiken een verminderde EOT terwijl een hogere μ_eff bij de hoge Q_inv gehandhaafd wordt.

Conclusies

De impact van gate dielectrica structuur en morfologie op Ge nMOSFET elektrische karakteristieken worden onderzocht. Een Al₂O₃/ZrO₂ gate dielectrica biedt aanzienlijk verbeterde μ_eff in vergelijking met de Si universele mobiliteit. μ_eff kan verbeterd worden door een Al₂O₃ laag in te voegen tussen de ZrO₂ en Ge kanaal, wat echter onvermijdelijk leidt tot een grotere EOT. Al₂O₃-vrije Ge nMOSFETs met O₃ oxidatie van het Ge oppervlak voor ZrO₂ depositie bereiken een piek μ_eff van 682 cm²/V s wat hoger is dan die van Si bij de vergelijkbare Q_inv.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

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

Afkortingen

Ge:

Germanium

ZrO₂:

Zirconium dioxide

Al₂O₃:

Aluminiumoxide

O₃:

Ozone

Si:

Silicium

PMA:

Post-metal annealing

PDA:

Post-depositie annealing

IL:

Interface laag

TiN:

Titaniumnitride

MOSFETs:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistoren

ALD:

Atomaire laag depositie

HF:

Hydrofluoric zuur

μ_eff:

Effectieve ladingdragermobiliteit

PPO:

Plasma na-oxidatie

SS:

Subthreshold swing

CET:

Capacitante-equivalente dikte

EOT:

Equivalente oxide dikte

Qinv:

Inversie lading dichtheid

HRTEM:

Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie

Ni:

Nikkel

GeO_x:

Germaniumoxide

I_DS:

Drainstroom

V_GS:

Gate spanning

V_TH:

Drempelspanning