Ge N-Channel MOSFETs com ZrO2 Dielectric Alcançando Mobilidade Melhorada

Resumo

Ge nMOSFETs de alta mobilidade com ZrO ₂ gate dielétrico são demonstrados e comparados com transistores com diferentes propriedades interfaciais de ozônio (O ₃ ) tratamento, O ₃ pós-tratamento e sem O ₃ tratamento. Verifica-se que com O ₃ tratamento, os Ge nMOSFETs com ZrO ₂ dielétrico com um EOT de 0,83 nm obtém um pico de mobilidade efetiva de elétrons ( μ _eff ) de 682 cm ² / Vs, que é maior do que a mobilidade universal Si na densidade de carga de inversão média ( Q _inv ) Por outro lado, o O ₃ pós-tratamento com Al ₂ O ₃ camada interfacial pode fornecer dramaticamente melhorado- μ _eff , alcançando cerca de 50% μ _eff melhoria em comparação com a mobilidade universal Si em médio Q _inv de 5 × 10 ¹² cm ⁻² . Estes resultados indicam a utilização potencial de ZrO ₂ dielétrico em Ge nMOSFETs de alto desempenho.

Histórico

GERMANIUM (Ge) exibiu vantagens de maior mobilidade de portadores e menor temperatura de processamento em comparação com dispositivos de Si. Isso faz com que Ge seja uma alternativa para aplicações de dispositivos lógicos CMOS ultraescalonados e transistores de filme fino (TFTs) como camada superior em circuitos integrados tridimensionais [1,2,3]. Nos últimos anos, grandes esforços têm sido focados na passivação de superfície, dielétrico de porta e engenharia de canal para transistores de efeito de campo de óxido metálico de canal p Ge (MOSFETs), que contribuíram para uma melhoria significativa no desempenho elétrico para o dispositivos de canal p.

Mas para MOSFETs de canais Ge, baixa mobilidade efetiva da portadora ( μ _eff ) causado por uma camada de interface pobre da pilha de portas limita fortemente o desempenho dos dispositivos. Várias técnicas de passivação de superfície, incluindo a passivação de Si [1], pós-oxidação de plasma [4] e passivação de InAlP [5] e vários dielétricos de alto κ, incluindo HfO ₂ , ZrO ₂ [6,7,8], Y ₂ O ₃ [9] e La ₂ O ₃ [10] foram explorados em Ge nMOSFETs para impulsionar o elétron μ _eff . Foi demonstrado que ZrO ₂ dielétrico integrado com canal Ge pode fornecer uma interface robusta devido a que um GeO ₂ camada interfacial pode reagir e se misturar com o ZrO ₂ camada [7]. Um buraco decente μ _eff foi relatado em transistores de canal p Ge [6,7,8], embora ainda haja muito espaço para melhorias no elétron μ _eff para suas contrapartes.

Neste trabalho, Ge nMOSFETs com ZrO ₂ os dielétricos da porta são fabricados para alcançar μ melhorados _eff sobre Si em toda a gama de densidade de carga de inversão ( Q _inv ) Transistores Ge obtêm uma melhoria de 50% no elétron μ _eff em comparação com a mobilidade universal Si em um meio Q _inv de 5,0 × 10 ¹² cm ⁻² .

Experimental

As principais etapas do processo para a fabricação de Ge nMOSFETs em wafers p-Ge (001) de 4 polegadas com resistividade de 0,136–0,182 Ω cm são mostradas na Fig. 1a. As regiões de fonte / drenagem (S / D) foram implantadas com íon fósforo na dose de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² e uma energia de 30 keV seguida por recozimento de ativação dopante a 600 ° C. Após a limpeza do pré-portão, wafers de Ge foram carregados em uma câmara de deposição de camada atômica para a formação da (s) camada (s) dielétrica (s):Al ₂ O ₃ / O ₃ oxidação / ZrO ₂ , ZrO ₂ , ou O ₃ oxidação / ZrO ₂ para as bolachas A, B ou C, respectivamente. Para wafer A, 0,9 nm Al ₂ O ₃ foi usado para proteger a superfície do canal durante O ₃ oxidação. O ₃ a oxidação foi realizada a 300 ° C por 15 min para ambas as bolachas A e C. Para todas as bolachas, a espessura de ZrO ₂ era ~ 3,3 nm. Posteriormente, o metal da porta TiN (100 nm) foi depositado por meio de pulverização reativa física e a padronização litográfica e o ataque de íon reativo foram usados para formar o eletrodo da porta. Depois disso, uma camada de Ni de 25 nm de espessura foi depositada nas regiões S / D. Finalmente, o recozimento pós-metalização (PMA) a 350 ° C por 30 s foi realizado para formar o germanide de Ni e melhorar a qualidade da interface. Imagens esquemáticas e microscópicas do transistor fabricado são mostradas na Fig. 1b, c, respectivamente.

a Principais etapas do processo para a fabricação de Ge nMOSFETs. b Esquemático transversal e c imagem microscópica dos dispositivos fabricados

A Figura 2a, b mostra as imagens do microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) das pilhas de portas nas bolachas A e B, respectivamente. A espessura unificada do Al ₂ O ₃ / GeO _x camada interfacial (IL) para o wafer A é de ~ 1,2 nm, indicando o GeO de 0,2–0,3 nm _x . Para o dispositivo em wafer B, um GeO ultrafino _x IL foi demonstrado experimentalmente [7].

Imagens HRTEM de a TiN // ZrO ₂ / Al ₂ O ₃ / GeO _x / Ge, b TiN / ZrO ₂ / GeO _x / Pilhas Ge para os dispositivos nos wafers A e B, respectivamente

Resultados e discussão

A capacitância medida ( C ) e a corrente de fuga ( J ) características para capacitores Ge MOS nas bolachas A, B e C são medidas e mostradas na Fig. 3a, b, respectivamente. A espessura de óxido equivalente (EOT) dos dispositivos nas bolachas A, B e C é extraída para ser 1,79, 0,59 e 0,83 nm, respectivamente. Assumindo o GeO _x IL fornece um EOT extra de ~ 0,25 nm para as bolachas A e C comparando as bolachas B e C, o ZrO de 3,3 nm ₂ contribui com um EOT de ~ 0,6 nm com valor κ de ~ 21,8, que é consistente com o valor relatado anteriormente de ZrO amorfo ₂ [11]. Esses resultados derivados também confirmam que a espessura em GeO _x IL no wafer B é insignificante.

a Medido C em função da tensão V características para capacitores Ge pMOS nos wafers A, B e C. b J versus V curvas para os dispositivos. c Comparativo de mercado de J (extraído em V _FB ± 1 V) dos capacitores Ge MOS neste trabalho contra dados obtidos para condições de polarização semelhantes da literatura

O GeO _x / Al ₂ O ₃ IL para wafer A e GeO _x IL para wafer C produz o EOT de ~ 1,2 e ~ 0,25 nm, respectivamente. O EOT dos dispositivos pode ser ainda mais reduzido diminuindo a espessura de IL ou melhorando a qualidade da interface e aumentando a permissividade de ZrO ₂ com alguma passivação de superfície, por exemplo, NH ₃ / H ₂ tratamento com plasma [6]. A Figura 3c compara J versus características EOT para os Ge nMOSFETs neste trabalho contra valores para outros dispositivos Ge relatados [5, 12,13,14,15,16,17]. Também é observado que os resultados são consistentes com o Ge MOS relatado com EOT ultrafino seguindo as mesmas tendências, indicando que a diferença de corrente de fuga mostrada na Fig. 3b deve ser atribuída principalmente à diferença de EOT.

A Figura 4a mostra a corrente de drenagem medida ( I _D ) e corrente de origem ( I _S ) versus tensão da porta ( V _G ) curvas de Ge nMOSFETs dos wafers A, B e C. Todos os transistores têm um comprimento de porta L _G de 4 μm e uma largura de portão W de 100 μm. O ponto de oscilação do sublimiar (SS), definido como d V _G / d (log I _D ), em função de I _D curvas para os transistores na Fig. 4a é calculado e mostrado na Fig. 4b. É esclarecido que o transistor no wafer A exibe o degradado I _D piso de vazamento e SS em comparação com os dispositivos nas bolachas B e C. Além do aumento na EOT nos dispositivos na bolacha A traria no incremento de SS, este fenômeno deve ser parcialmente atribuído ao fato de que o dispositivo com o Al ₂ O ₃ camada inserida tem uma densidade maior de armadilhas de interface ( D _it ) dentro do bandgap do canal Ge em comparação com os wafers B e C.

a Medido I _D e eu _S versus V _GS curvas de Ge nMOSFETs nas bolachas A, B e C. b Ponto SS como uma função de I _D para os transistores. c eu _D - V _D características mostram que o Ge nMOSFET no wafer A tem uma corrente de acionamento maior em comparação com os dispositivos nos wafers B e C

A Figura 4c mostra as características de saída medidas, ou seja, I _D - V _D curvas para vários valores de overdrive de portão | V _G - V _TH | dos dispositivos que demonstram que o transistor Ge no wafer A atinge uma corrente de acionamento significativamente melhorada em comparação com os dispositivos nos wafers B e C. Aqui, V _TH é definido como V _GS correspondendo a um I _D de 10 ⁻⁷ A / μm. Considerando as condições idênticas para a formação S / D, o impulsionado I _DS para transistores no wafer A indica o maior μ _eff [18,19,20,21]. O Al ₂ O ₃ camada não levou à degradação de D _it desempenho próximo à banda de condução do canal Ge.

A Figura 5a mostra a resistência total R _tot como uma função de L _G para os Ge nMOSFETs com ZrO ₂ dielétrico com um L _G variando de 2 a 10 µm. Os valores de R _tot são extraídos em um overdrive de porta de 0. 6 V e um V _D de 0,05 V. A resistência S / D R _SD dos transistores é extraído para ser ~ 13,5 kΩ μm, utilizando as linhas ajustadas que se cruzam no y -eixo. O semelhante R _SD é consistente com o processo idêntico de formação de PMA e S / D. A resistência do canal R _CH os valores dos dispositivos são obtidos pela inclinação das linhas ajustadas, ou seja, Δ R _tot / Δ L _G , que pode ser usado para calcular o μ _eff características dos Ge nMOSFETs. Para avaliar a qualidade da interface, as densidades de interceptação da interface ( D _it ) foram extraídos pela seguinte equação de acordo com o método de Hill [17]:
$$ D _ {{{\ text {it}}}} =\ frac {{2G _ {{{\ text {m}} \ max}} / \ omega}} {{qA \ left [{\ left ({\ frac {{G _ {{{\ text {mmax}}}}}} {{\ omega C _ {{{\ text {ox}}}}}}} \ right) + \ left ({1 - C _ {{\ text {m}}} / C _ {{{\ text {ox}}}}} \ right) ^ {2}} \ right]}} $$
onde q é a cobrança eletrônica, A é a área do capacitor, G _{m, máx} é o valor máximo da condutância medida, com sua capacitância correspondente C _m , ω é a frequência angular e C _boi é a capacitância do óxido de porta. O D _it os valores são calculados como 3,7, 3,2 e 2,3 × 10 ¹² eV ⁻¹ cm ⁻² para os dispositivos nos wafers A, B e C, respectivamente.

Sabe-se que os valores calculados correspondem ao midgap D _it . O dispositivo com Al ₂ O ₃ IL no wafer A tem um midgap maior D _it em comparação com os dispositivos nas bolachas B e C. Isto é consistente com os resultados nas Figs. 3a e 4a, e o midgap superior D _it dá origem a uma maior dispersão da capacitância de depleção na bolacha A, causando uma maior corrente de fuga de I _DS em comparação com as outras duas bolachas. Observe que o wafer A deve ter o D inferior _it próximo ao bandgap de condução devido ao seu maior μ _eff sobre as bolachas B e C.

a R _tot versus L _G curvas para Ge nMOSFETs nas bolachas A, B e C. A linha ajustada que se cruza no eixo y e a inclinação das linhas de ajuste linear são utilizadas para extrair o R _SD e R _CH , respectivamente. b μ _eff para os Ge nMOSFETs neste trabalho versus resultados publicados anteriormente para transistores Ge não tensionados. Os dispositivos no wafer A mostram o μ melhorado _eff do que a mobilidade universal Si em toda a gama de Q _inv

É bem sabido que μ _eff é o gargalo para alta corrente de acionamento e transcondutância em Ge nMOSFETs. Aqui, μ _eff pode ser calculado por \ (\ mu _ {{{\ text {eff}}}} =1 / [WQ _ {{{\ text {inv}}}} (\ Delta R _ {{{\ text {tot}}}} / \ Delta L _ {{\ text {G}}})] \), onde Δ R _tot / Δ L _G é a inclinação do R _tot versus L _G como mostrado na Fig. 5a. Q _inv pode ser obtido integrando o C medido _inv - V _G curvas. Na Fig. 5b, comparamos o μ _eff versus Q _inv dos Ge nMOSFETs nas bolachas A, B e C com aqueles relatados anteriormente em [18, 22,23,24,25]. O pico extraído μ _eff os valores dos transistores nas bolachas A e C são 795 e 682 cm ² / V s, respectivamente, e o de Ge nMOSFETs no wafer B é 433 cm ² / V s. Ge nMOSFETs com Al ₂ O ₃ IL consegue uma melhoria significativa de μ _eff em comparação com os transistores no wafer B ou C, os dispositivos em [18, 22,23,24,25] em um campo alto e mobilidade universal de Si em todo o Q _inv alcance. Em um Q _inv de 5 × 10 ¹² cm ⁻² , 50% μ _eff o aprimoramento é obtido em dispositivos no wafer A em comparação com a mobilidade universal Si. Isso demonstra que, protegendo a superfície do canal para evitar a mistura de ZrO ₂ e GeO _x usando Al ₂ O ₃ , uma interface de alta qualidade entre o isolador de porta e Ge é realizada para aumentar as características de mobilidade, o que também é relatado em estudos anteriores de MOSFETs Ge com EOT ultrafino [26]. μ _eff em transistores no wafer C é maior do que o Si universal em um Q _inv de 2,5 × 10 ¹² cm ⁻² , embora decaia rapidamente com o aumento de Q _inv alcance. Isso indica que o O ₃ usado oxidação antes de ZrO ₂ a deposição melhoraria a qualidade interfacial até certo ponto; no entanto, não leva a uma superfície plana de canal suficiente para suprimir efetivamente a dispersão de rugosidade da superfície do portador em alto Q _inv devido à mistura de ZrO ₂ e GeO _{x ,} uma vez que é relatado que a geração de vacâncias de oxigênio durante a mistura aumentaria a rugosidade da ordem de curto alcance (SRO) [27]. Otimizando o O ₃ processo de oxidação ou redução do Al ₂ O ₃ A espessura de IL pode fazer com que o transistor Ge atinja um EOT reduzido, enquanto mantém um μ mais alto _eff no alto Q _inv .

Conclusões

Os impactos da estrutura dielétrica da porta e morfologia nas características elétricas do Ge nMOSFET são investigados. An Al ₂ O ₃ / ZrO ₂ o dielétrico de porta fornece μ significativamente melhorado _eff em comparação com a mobilidade universal Si. μ _eff pode ser melhorado inserindo um Al ₂ O ₃ camada entre o ZrO ₂ e o canal Ge, que, no entanto, inevitavelmente leva a um EOT maior. Al ₂ O ₃ - Ge nMOSFETs grátis com O ₃ oxidação da superfície Ge antes de ZrO ₂ deposição atingir um pico μ _eff de 682 cm ² / V s que é maior do que o de Si no semelhante Q _inv .

Disponibilidade de dados e materiais

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

Abreviações

Ge:: Germânio
ZrO ₂ :: Dióxido de zircônio
Al ₂ O ₃ :: Óxido de aluminio
O ₃ :: Ozônio
Si:: Silício
PMA:: Recozimento pós-metal
PDA:: Recozimento pós-deposição
IL:: Camada interfacial
TiN:: Nitreto de titânio
MOSFETs:: Transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor
ALD:: Deposição de camada atômica
HF:: Acido hidrosulfurico
µ _eff :: Mobilidade efetiva da operadora
PPO:: Pós-oxidação do plasma
SS:: Balanço de sublimiar
CET:: Espessura equivalente de capacitância
EOT:: Espessura de óxido equivalente
Qinv:: Densidade de carga de inversão
HRTEM:: Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução
Ni:: Níquel
GeO _x :: Óxido de germânio
I _DS :: Corrente de drenagem
V _GS :: Tensão do portão
V _TH :: Tensão de limiar

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