Otimizando Desempenho de pMOSFETs de Germânio com Dielétricos ZrO₂: Papel de Recozimento Pós-Metal e Pós-Deposição

Resumo

Este estudo examina como recozimento pós-metal (PMA) e recozimento pós-deposição (PDA) influenciam o desempenho elétrico de pMOSFETs de germânio (Ge) tipo p que empregam dielétrico de porta ZrO₂. Dispositivos que pulam PDA exibem melhorias progressivas em corrente de estado ligado (I_ON), balanço de sublimiar (SS) e espessura equivalente de capacitância (CET) à medida que a temperatura de PMA é elevada de 350 °C a 500 °C. A cristalização do ZrO₂ em temperaturas mais altas de PMA aumenta sua permissividade e reduz a densidade de estados de interface (D_it), levando a menor CET e maior mobilidade efetiva de lacunas (μ_eff). Por outro lado, dispositivos que recebem etapa de PDA a 400 °C atingem menor CET e SS mais íngreme, mas sua μ_eff é menor que dispositivos sem PDA.

Fundamentação

Germânio (Ge) é cada vez mais reconhecido como material de canal tipo p de alta mobilidade para CMOS de próxima geração, oferecendo mobilidades de lacunas que excedem silício por margem significativa [1-3]. Para explorar totalmente essa vantagem, um dielétrico de porta de qualidade superior e passivação de superfície robusta são essenciais para alcançar altas mobilidades efetivas de portadores (μ_eff) e correntes de condução em transistores de Ge [4-7]. Vários dielétricos high-k — HfO₂, ZrO₂, La₂O₃ e Y₂O₃ — foram explorados para reduzir espessura equivalente de capacitância (CET) abaixo de 1 nm. Entre eles, ZrO₂ destaca-se devido à sua alta constante dielétrica (κ ≈ 28-30 na fase cristalina) e excelente qualidade interfacial com Ge [12-14]. Cristalização de ZrO₂ demonstrou reduzir CET e aumentar μ_eff [15, 16], mas o impacto de diferentes rotas de recozimento no desempenho do dispositivo permanece subestudado. Este trabalho investiga como PMA e PDA afetam pMOSFETs de Ge com dielétricos ZrO₂, demonstrando que temperaturas mais altas de PMA aumentam marcadamente μ_eff e reduzem CET.

Métodos

O fluxo de fabricação de pMOSFETs de Ge com dielétricos ZrO₂ é ilustrado na Figura 1a. Dispositivos foram crescidos em wafers Ge(001) tipo n (0,088-0,14 Ω·cm). Após limpeza sequencial com HF (1:50) e enxágue DI, os wafers entraram em câmara ALD. Etapa de oxidação pós-ozônio (OPO) — depositando camada de 1 nm Al₂O₃ a 300 °C seguida por 15 min de OPO in-situ — forneceu passivação de superfície. Subsequentemente, camada de 5 nm ZrO₂ foi depositada a 250 °C usando precursores TDMAZr e H₂O, com fonte de Zr aquecida a 85 °C. Amostras seletivas passaram por PDA a 400 °C por 60 s em recozimento térmico rápido (wafer II); wafers restantes serviram como grupo sem PDA (wafer I). Porta de 100 nm TaN foi depositada por sputtering, padronizada e gravada. Regiões de fonte/dreno foram formadas por implantação de BF₂⁺ (30 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), seguidas por contatos de 15 nm Ni via lift-off. Finalmente, PMA foi realizado a 350, 400, 450 e 500 °C por 30 s para ativar dopantes e completar metalização.

Figura 1b apresenta visão SEM de dispositivo típico, enquanto Figura 1c mostra corte transversal XTEM destacando porta, dielétrico e regiões de fonte/dreno. Figuras 1d e 1e mostram que camada ZrO₂ é totalmente cristalizada após PMA a 500 °C, com espessura interfacial de Al₂O₃ de ≈ 0,7 nm.

Resultados e Discussão

Figura 2 mostra capacitância de inversão (C_inv) versus tensão de porta (V_GS) medida a 300 kHz para dispositivos no wafer I. Valores CET extraídos são 1,95, 1,80, 1,67 e 1,52 nm para temperaturas de PMA de 350, 400, 450 e 500 °C, respectivamente. Redução de CET com PMA mais alto é atribuída à cristalização do ZrO₂, que aumenta κ de ~20-23 (amorfo) para ~28-30 (cristalino) e reduz densidade de armadilhas em massa. Este deslocamento em curvas C-V confirma qualidade dielétrica aprimorada.

Figura 3a apresenta características de transferência e vazamento de porta (I_G) para dispositivos no wafer I. Todos transistores têm L_G = 4 µm e W = 100 µm. Vazamento de porta permanece abaixo da corrente de dreno para todas temperaturas de PMA. Notavelmente, dispositivo recozido a 500 °C atinge razão I_ON/I_OFF > 10⁴. Figura 3b mostra curvas I_D-V_DS em diferentes sobretensões (|V_GS - V_TH|). Comparado a 350 °C, dispositivo de 500 °C exibe 47% e 118% maiores correntes de condução em V_DS = -1,0 V e |V_GS - V_TH| = 0,8 V, respectivamente. Figura 3c resume estatísticas de I_ON em V_DS = -0,5 V e |V_GS - V_TH| = -1 V, confirmando que recozimento a 500 °C entrega desempenho de estado ligado superior devido a menor resistência de fonte/dreno, menor CET e maior μ_eff.

Figura 4 apresenta gráficos estatísticos de D_it de meio de banda, SS e V_TH para diferentes temperaturas de PMA. Valores D_it extraídos (via método de condutância máxima) são 1,3 × 10¹³, 9,5 × 10¹², 9,2 × 10¹² e 6,3 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ para 350, 400, 450 e 500 °C, respectivamente. Dispositivo de 500 °C demonstra SS mais íngreme devido ao menor D_it e CET. Embora D_it e SS permaneçam acima dos melhores transistores de Ge relatados, otimização adicional do processo OPO (espessura Al₂O₃, temperatura de oxidação, duração) poderia gerar melhorias adicionais. V_TH desloca positivamente com aumento da temperatura de PMA, refletindo redução de CET e D_it. No geral, desempenho elétrico ótimo é alcançado com PMA a 500 °C.

Mobilidade efetiva de lacunas (μ_eff) é extraída usando método ΔR_tot/ΔL_G [18] em dispositivos com L_G variando de 1,5 a 9 µm. Figura 5a mostra R_tot versus L_G em |V_GS - V_TH| = -1 V e V_DS = -0,05 V; valores correspondentes de R_SD são 7,85, 7,15, 6,10 e 4,35 kΩ·µm para 350, 400, 450 e 500 °C, indicando ativação de dopante aprimorada em temperaturas mais altas de PMA. A inclinação ΔR_tot/ΔL_G é menor para dispositivo de 500 °C, resultando em μ_eff de pico de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ — 31% maior que contraparte de 400 °C. Em altas densidades de carga de inversão (Q_inv ≈ 1 × 10¹³ cm⁻²), dispositivo de 500 °C mantém mobilidade superior. ZrO₂ cristalino reduz densidade de armadilhas em massa, minimizando espalhamento Coulombiano remoto, e interface ZrO₂/Ge mais suave reduz espalhamento por rugosidade de superfície, deslocando pico de mobilidade para Q_inv mais alto.

Examinamos a seguir a influência de PDA nas características do dispositivo. Figura 6 compara C_inv-V_GS para dispositivos no wafer I (sem PDA) e wafer II (PDA a 400 °C) recozidos a 400 °C. Dispositivo com PDA exibe CET marcadamente menor (1,29 nm vs 1,80 nm). Figura 7a mostra que PDA aumenta vazamento de porta, provavelmente devido ao CET reduzido. No entanto, dispositivo sem PDA entrega 24% maior corrente de condução na mesma sobretensão (-0,8 V) na região de saturação, como ilustrado na Figura 7b.

Figura 8 resume resultados estatísticos de D_it, SS e V_TH para dispositivos com e sem PDA. Dispositivo com PDA mostra D_it menor e SS médio de 142 mV/década, indicando interface ZrO₂/Ge aprimorada. V_TH difere entre os dois grupos, refletindo variações na densidade de armadilhas próximo à banda proibida.

Figura 9 mostra R_tot vs L_G para dispositivos com PMA a 400 °C. R_SD é 7,15 kΩ·µm (sem PDA) e 7,30 kΩ·µm (PDA). Dispositivo com PDA exibe μ_eff de pico de 211 cm² V⁻¹ s⁻¹, menor que dispositivo sem PDA a 400 °C. Mobilidade reduzida é atribuída a espalhamento Coulombiano remoto aprimorado de cargas fixas no dielétrico ZrO₂.

Conclusões

Exploramos sistematicamente como PMA e PDA afetam pMOSFETs de Ge com dielétricos ZrO₂. Cristalização do dielétrico de porta ZrO₂, alcançada por PMA a 500 °C, reduz substancialmente CET e aumenta mobilidade de lacunas — resultando em μ_eff de pico de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ e corrente de condução aprimorada. Embora etapa de PDA a 400 °C reduza ainda mais CET e D_it, compromete mobilidade e aumenta vazamento comparado a dispositivos sem PDA. Assim, PMA de alta temperatura sem PDA é a rota preferida para otimizar desempenho de pMOSFETs de Ge.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

ALD

Deposição de camada atômica

BF₂⁺

Íon fluoreto de boro

CET

Espessura equivalente de capacitância

Ge

Germânio

HF

Ácido fluorídrico

HRTEM

Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução

IL

Camada interfacial

MOSFETs

Transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

Ni

Níquel

PDA

Recozimento pós-deposição

PMA

Recozimento pós-metal

SS

Balanço de sublimiar

TaN

Nitreto de tântalo

TDMAZr

Tetrakis (dimetilamido) zircônio

ZrO₂

Dióxido de zircônio

μ_eff

Mobilidade efetiva de portadores