pMOSFETs de Germânio de Alto Desempenho via Passivação GeOₓ Induzida por Ozônio: Análise Comparativa com Pós-Oxidação a Plasma

Resumo

Comparamos o desempenho elétrico de pMOSFETs de germânio que recebem uma camada de passivação GeO_x formada por pós-oxidação com ozônio (OPO) ou pós-oxidação a plasma (PPO). Ambos os processos são aplicados a um substrato Al₂O₃/n-Ge (001), seguido por um dielétrico de porta HfO₂ de 5 nm depositado in situ por ALD. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) confirmam que o tratamento PPO introduz um deslocamento positivo da tensão de limiar e uma razão I_ON/I_OFF menor, indicando uma interface degradada. Em contraste, o OPO produz uma razão I_ON/I_OFF quatro ordens de magnitude maior, um swing subthreshold mais íngreme e mobilidade de portadores superior. Uma camada de bloqueio Al₂O₃ mais espessa no processo OPO aprimora ainda mais a mobilidade. Em geral, o OPO fornece uma rota mais eficaz para uma interface Ge/óxido de alta qualidade e mobilidade efetiva melhorada em pMOSFETs de Ge.

Introdução

Dispositivos CMOS convencionais estão se aproximando de seus limites físicos, dificultando o aumento de desempenho com silício sozinho. O germânio, com sua maior mobilidade de portadores, surgiu como um material de canal promissor, mas alcançar uma baixa densidade de estados de interface (D_it) permanece um desafio devido à instabilidade do GeO₂ e ligações pendentes. Numerosas estratégias foram exploradas para passivar a interface Ge/dielétrico, como pré-depósito de monocamadas de silício ou engenharia de auto-passivação via crescimento intencional de GeO₂. Técnicas de oxidação — incluindo oxidação de alta pressão, ozônio, plasma de H₂O e ressonância ciclotrônica de elétrons (ECR) — têm sido empregadas para reduzir D_it e aumentar a estabilidade térmica.

Estudos recentes demonstraram MOSFETs de Ge de alto desempenho por pós-oxidação através de uma interface Al₂O₃/Ge. Por exemplo, um inversor CMOS de Ge em Ge-on-insulator (GeOI) usou recozimento térmico rápido em O₂ puro para crescer GeO_x após uma camada de 1 nm de Al₂O₃. A oxidação por ozônio, mais reativa que O₂, permite crescimento a temperatura mais baixa, e demonstrou melhorar o controle de espessura de GeO_x e desempenho do dispositivo. No entanto, uma comparação sistemática entre pós-oxidação por ozônio e plasma na mesma interface Al₂O₃/n-Ge tem faltado.

Neste trabalho, fabricamos pMOSFETs de Ge usando tanto OPO quanto PPO em interfaces Al₂O₃/n-Ge e comparamos suas características elétricas. Todas as outras etapas do processo são idênticas. A influência da espessura da camada de bloqueio Al₂O₃ e os mecanismos subjacentes de degradação de mobilidade também são examinados. Nossos resultados demonstram que OPO é um método de passivação superior para futura tecnologia de MOSFETs de Ge.

Métodos

pMOSFETs de Ge foram fabricados em wafers de 4 polegadas n-Ge (001) (resistividade 0,14–0,183 Ω cm). Após limpeza com HF diluído (1:50), um filme de ~1 nm de Al₂O₃ foi depositado a 300 °C por ALD com plasma (PEALD) usando trimetilalumínio (TMA) e H₂O. A fina camada interfacial Al₂O₃/GeO₂ (denotada AlO_x/GeO_x) foi então submetida a 60 s de plasma de oxigênio (PPO) via fonte de plasma remoto ou a um tratamento de ozônio (OPO) de 20 min em uma mistura de 50% O₃/O₂. Imediatamente após a oxidação, um dielétrico de porta HfO₂ de 5 nm foi depositado a 300 °C por ALD (60 ciclos, usando TDMAHf e H₂O). Um metal de porta TaN de 100 nm foi depositado por sputtering, seguido por litografia e gravação. Regiões de fonte/dreno foram auto-alinhadas com implantação de BF₂⁺ (20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), cobertas com 20 nm de Ni, e ativadas por recozimento térmico rápido a 450 °C por 30 s.

a Fluxo de processo para fabricação de pMOSFETs de Ge com três métodos de passivação. b Esquemático e c imagem de MEV do transistor fabricado.

Imagens de TEM de seção transversal revelam a pilha de porta TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge para PPO e OPO. Na amostra PPO, uma camada interfacial AlO_x/GeO_x distinta separa HfO₂ de Ge, enquanto a amostra OPO mostra uma interface mais difusa, consistente com relatos na literatura sobre espessura de GeO₂.

TEM de seção transversal da pilha de porta high-k/metal com camadas interfaciais AlO_x/GeO_x formadas por (a) OPO e (b) PPO em n-Ge (001).

Resultados e Discussão

A caracterização do dispositivo foi realizada com um sistema Keithley 4200-SCS. Todos os transistores têm comprimento de porta de 3 µm. O dispositivo PPO (wafer A) mostra maior corrente de dreno saturada, mas também maior corrente de estado OFF comparado aos dispositivos OPO (wafers B e C). Importante, os dispositivos OPO operam em modo de realce, enquanto o dispositivo PPO permanece em modo de depleção, indicando caráter residual tipo p devido a um D_it mais alto.

a I_DS–V_GS e b I_DS–V_DS para pMOSFETs de Ge PPO (wafer A) e OPO (wafers B, C).

Análise estatística da razão I_ON/I_OFF e swing subthreshold (SS) confirma que dispositivos OPO alcançam até quatro ordens de magnitude maior I_ON/I_OFF e um SS mais íngreme, refletindo uma interface mais limpa. Aumentar a espessura do bloco Al₂O₃ de 10 para 15 ciclos melhora a corrente de estado ON, mas reduz a razão I_ON/I_OFF devido a uma maior espessura de óxido equivalente (EOT).

Gráficos estatísticos de a SS e b I_ON/I_OFF para dispositivos PPO versus OPO.

Medidas de XPS em amostras dummy (sem HfO₂ e TaN) revelam que PPO produz uma camada GeO_x dominada por espécies Ge¹⁺ e Ge³⁺, enquanto OPO resulta em uma distribuição de estado de oxidação mais alto, reduzindo o componente Ge¹⁺ e indicando uma formação mais completa de GeO₂.

a Espectros Ge 3d de XPS para Al₂O₃/GeO_x/Ge sob PPO, OPO-10 e OPO-15. b Ajuste de picos dos espectros Ge 3d.

Medidas C-V porta-fonte a 1 MHz mostram que o processo OPO resulta em um EOT maior comparado ao PPO, com o OPO de 15 ciclos (wafer C) exibindo o maior EOT. Isso é atribuído à camada de bloqueio Al₂O₃ mais espessa. Apesar do EOT maior, os dispositivos OPO mantêm SS e mobilidade superiores.

C-V porta-fonte de dispositivos PPO (wafer A) e OPO (wafers B, C).

Análise de resistência total (R_T) versus comprimento de porta indica que dispositivos PPO têm resistências de série e canal menores, consistentes com os dados C-V. No entanto, as maiores R_SD e R_CH para dispositivos OPO são compensadas pela mobilidade melhorada.

R_T versus L_G para os três tipos de dispositivos.

A mobilidade efetiva de lacunas (μ_eff) foi extraída da inclinação da resistência total. Dispositivos OPO exibem μ_eff de pico maior que PPO, com wafer C (OPO 15 ciclos) alcançando 283 cm²/Vs. Comparado com a literatura, isso representa uma melhoria de 2,37× sobre a mobilidade universal do silício a uma densidade de carga de inversão de 5 × 10¹² cm⁻². A vantagem de mobilidade é atribuída à redução de espalhamento Coulombiano e melhor qualidade de interface.

μ_eff versus Q_inv para dispositivos PPO e OPO. O OPO de 15 ciclos (wafer C) atinge μ_eff de pico de 283 cm²/Vs.

Conclusões

Demonstramos que pMOSFETs de Ge com passivação GeO_x fabricados via pós-oxidação por ozônio superam aqueles usando pós-oxidação a plasma. OPO produz maiores razões I_ON/I_OFF, swings subthreshold mais íngremes e μ_eff de pico superior. Aumentar a espessura da camada de bloqueio Al₂O₃ no processo OPO melhora a mobilidade ao custo de um EOT maior. Esses achados confirmam que OPO é uma estratégia de passivação eficaz para interfaces Ge/óxido de alta qualidade, tornando-o um candidato promissor para tecnologia de MOSFETs de Ge de próxima geração.

Abreviações

Al₂O₃:

Óxido de alumínio

ALD:

Deposição de camada atômica

BF₂⁺:

Íon fluoreto de boro

EOT:

Espessura de óxido equivalente

Ge:

Germânio

GeO_x:

Óxido de germânio

HF:

Ácido fluorídrico

HfO₂:

Dióxido de háfnio

TEM:

Microscópio eletrônico de transmissão

MOSFETs:

Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

OPO:

Pós-oxidação por ozônio

PPO:

Pós-oxidação a plasma

Q_inv:

Densidade de carga de inversão

SS:

Swing subthreshold

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X

μ_eff:

Mobilidade efetiva de lacunas