Межфазные, электрические характеристики и характеристики совмещения полос стопок HfO2 / Ge с прослойкой SiO2, сформированной in situ методом плазменного осаждения атомных слоев

Фон

С постоянным уменьшением размеров полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET), MOSFET на основе Si приближается к своим физическим и техническим ограничениям. Материалы альтернативных каналов, такие как германий (Ge) [1, 2] и материалы III-V [3–5], в последнее время вызывают большой интерес для приложений с высокопроизводительными логическими устройствами. Среди них Ge имеет потенциал заменить кремний в качестве материала канала в MOSFET из-за присущей ему более высокой подвижности дырочных носителей [6]. Однако прямое нанесение диэлектриков затвора с высоким k на подложки из Ge часто приводит к высокой плотности захвата интерфейса (D _it ) и нежелательное образование межфазного слоя между Ge и слоями диэлектриков с высоким k [7]. Следовательно, для создания высокоскоростных и маломощных полевых МОП-транзисторов на основе Ge очень важно добиться высокого качества k / Ge интерфейс. К счастью, было сообщено о множестве методов для улучшения качества интерфейса high-k / Ge [8], таких как введение SiO ₂ [9], Si [10], GeO ₂ [11], Al ₂ О ₃ [12, 13], GeO _x N _y [14, 15] и оксиды редкоземельных элементов [16, 17] в качестве межфазного контрольного слоя между подложкой Ge и высоким k затворные диэлектрики. В частности, GeO ₂ Структура / Ge имеет превосходные свойства интерфейса, чрезвычайно низкую плотность состояний интерфейса (D _it ) менее 1 × 10 ¹¹ см ⁻² эВ ⁻¹ может быть достигнуто [18]. Однако GeO ₂ разлагается при температуре выше 425 ° C и растворяется в воде. В результате недопустимый D _it всегда обнаруживается для конденсатора Ge-MOS (MOSCAP) [6]. К счастью, Kita et al. сообщил, что перекрывающий слой на GeO ₂ может подавить GeO ₂ деградация; однако выбор материала для верхнего слоя должен быть очень важным [19–21]. Например, Si или Y ₂ О ₃ работает более эффективно, чем HfO ₂ для замедления десорбции Ge-O. Эти результаты указывают на важность выбора материалов с высоким k или межфазного контрольного слоя для ингибирования GeO ₂ деградация. Накашима и др. сообщил, что очень тонкий SiO ₂ / GeO ₂ двухслойное нанесение методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) является многообещающим межслойным слоем для пассивирования Ge, D _it из 4 × 10 ¹¹ см ^-2 эВ ⁻¹ была достигнута около середины промежутка [22, 23]. Ли и др. представил SiO ₂ прослойка на Ge методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) и SiO ₂ промежуточный слой может эффективно подавлять выход Ge во время HfO ₂ рост и последующий процесс отжига после осаждения [9]. Следовательно, SiO ₂ должен быть прекрасным межфазным контрольным слоем для подложки Ge. Однако по сравнению с PVD и MOCVD, PEALD может обеспечить гораздо более однородный пассивирующий слой, особенно для сверхтонких толщин. Следовательно, SiO ₂ , образованный PEALD может быть многообещающим межфазным управляющим слоем для создания высокопроизводительных транзисторных устройств на основе Ge.

Здесь мы представили SiO ₂ , сформированный методом PEALD. в HfO ₂ / Ge складывается как межфазный слой. Межфазные, электрические характеристики и характеристики выравнивания полос ALD HfO ₂ пленки на подложках Ge n-типа были тщательно исследованы. SiO ₂ был впервые нанесен на подложки Ge в качестве межфазного контрольного слоя компанией PEALD. Затем HfO ₂ Диэлектрик затвора наносился на месте методом термического ALD. Отжиг после осаждения (PDA) при 500 ° C в течение 60 с в N ₂ было выполнено для HfO ₂ / SiO ₂ диэлектрические стеки затвора с высоким k на Ge. Анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показывает, что прослойка Si-O-Ge и GeO ₂ слой образуется на поверхности Ge в процессе PEALD SiO ₂ осаждение. Эта прослойка Si-O-Ge не только демонстрирует фантастическую термическую стабильность, но также может подавлять термическое разложение GeO ₂ . . Таким образом, были достигнуты хорошие электрические свойства HfO ₂ / Si-O-Ge / GeO ₂ / Ge стеки. По сравнению с MOCVD SiO ₂ промежуточный слой, in situ PEALD SiO ₂ демонстрирует значительно улучшенные электрические свойства. Таким образом, PEALD является гораздо более мощной технологией, чем MOCVD, в области изготовления полевых МОП-транзисторов, особенно для нанесения сверхтонкого межфазного контрольного слоя.

Методы

В качестве подложек использовался Ge (100), легированный Sb N-типа с удельным сопротивлением 0,2–0,3 Ом ∙ см. Подложки сначала очищали ультразвуком в ацетоне, этаноле, изопропаноле и деионизированной воде в течение 5 мин соответственно. Затем разбавленный раствор HBr (H ₂ O / HBr =3:1) протравливали поверхность самородных оксидов в течение 5 мин. После влажной химической очистки подложки промывали деионизированной водой и сушили в чистом N ₂ . . Впоследствии субстраты были немедленно перенесены в PEALD (Picosun SUNALE ^TM Р-200) камера. Перед стартом k HfO ₂ напыление пленок, 10 циклов SiO ₂ Пленка была осаждена при 250 ° C с помощью PEALD в качестве промежуточного слоя, где один цикл состоял из 1 с инжекции источника Si, 10 с N ₂ продувка, впрыск окислителя 13,5 с, N ₂ 4 с продувка. Трис- (диметиламино) силан (TDMAS) и O ₂ Плазма использовалась в качестве прекурсора Si и окислителя для SiO ₂ осаждения соответственно. TDMAS хранили при комнатной температуре. Чистый O ₂ газ (99,999%) использовался как O ₂ источник плазмы. Мощность плазмы и O ₂ расход газа составлял 2500 Вт и 160 см3 соответственно. Скорость роста PEALD SiO ₂ было определено как ~ 0,7 Å / цикл эллипсометрией спектроскопии ex situ. Тогда HfO ₂ толщиной ~ 4 нм Пленка была осаждена на месте при 250 ° C в течение 40 циклов с помощью термической ALD, где один цикл состоял из 0,1 с дозирования источника Hf, 4 с N ₂ продувка, 0,1 с H ₂ O дозирования и 4 с N ₂ продувка. Тетракис- (этилметиламино) -гафний (TEMAH) и H ₂ O использовались в качестве прекурсора Hf и окислителя для HfO ₂ осаждения соответственно. TEMAH упаривали при 150 ° C и H ₂ O хранили при комнатной температуре. Чистый N ₂ (99,999%) использовался в качестве газа-носителя и продувочного газа. КПК был выполнен в N ₂ при температуре окружающей среды 500 ° C в течение 60 с при атмосферном давлении с использованием быстрого термического отжига.

Межфазные структуры и химическое связывание пленок исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии ex situ (XPS, Thermo Fisher K-Alpha) со стандартным источником рентгеновского излучения Al Kα (1486,7 эВ). Спектры XPS были получены при угле взлета 90 °. Шкала энергии связи откалибрована с помощью Ge 3d _5/2 пик при 29,4 эВ. Кроме того, спектры XPS были подогнаны с помощью функций Гаусса-Лоренца (G-L) после вычитания фона интеллектуального типа. Электроды Pt верхние площадью 1,55 × 10 ⁻⁴ см ² были нанесены на поверхность HfO ₂ пленки с использованием теневой маски методом напыления для электрических измерений. Характеристики емкости-напряжения (C-V) и плотности тока утечки-напряжения (J-V) были измерены с помощью системы полупроводникового анализатора Keithley 4200 с платформой зонда (Cascade summit 12000B-M).

Результаты и обсуждение

Для тонкого PEALD SiO ₂ (~ 0,7 нм) на Ge, Si 2p показывает пик при 102,4 эВ, соответствующий связи Si-O (рис. 1а), что меньше энергии связи идеального SiO ₂ [24]. Оба субоксида кремния (SiO _x ) осаждение и образование Si-O-Ge на поверхности Ge во время процесса PEALD может вызвать сдвиг Si 2p в сторону более низкой энергии. Поэтому был проведен также Si 2p-спектр толстого PEALD (~ 7 нм) на Ge. Было обнаружено, что он показывает основной пик при 103,6 эВ, соответствующий идеальному SiO ₂ склеивание, как показано на рис. 1b. Итак, оксид кремния, нанесенный PEALD, здесь идеален SiO ₂ . . Однако, помимо сильного пика Si-O-Si, имеется слабый пик, расположенный при ~ 102,4 эВ, который должен соответствовать связи Si-O-Ge на поверхности Ge. Таким образом, можно сделать вывод, что Si-O-Ge образуется на поверхности Ge в исходном PEALD SiO ₂ рост. После in situ 4 нм HfO ₂ При осаждении интенсивность пика Si 2p уменьшается без очевидного химического сдвига (102,3 эВ), как показано на рис. 1а. Кроме того, Si 2 p пик также не показывает очевидного химического сдвига (102,2 эВ) после 500 ° C PDA в N ₂ , что свидетельствует о хорошей термической стабильности HfO ₂ / SiO ₂ интерфейс во время HfO ₂ осаждение и процесс КПК. В спектре Hf 4f после осаждения HfO ₂ / SiO ₂ стеки затворов (рис. 1c), дублет при 16,5 и 18,2 эВ можно отнести к Hf 4f _7/2 и Hf 4f _5/2 пики HfO ₂ с энергией спин-орбитального расщепления 1,7 эВ, что соответствует литературному значению HfO ₂ [25]. После 500 ° C PDA спектр Hf 4f не показывает очевидных изменений, только 0,1 эВ сдвиг в сторону более высокой энергии. Это означает, что в процессе PDA не образуются явные силикаты Hf. На рис. 1d в 3d-спектре Ge осажденного образца наблюдаются дублетные пики при 29,4 и 30,0 эВ, которые можно отнести к пикам Ge 3d5 / 2 и Ge 3d3 / 2 подложки Ge с энергией спин-орбитального расщепления 0,6 эВ. За исключением сигнала подложки Ge, существует огромный пик при 32,7 эВ для связи Ge-O. Пик Ge-O должен быть результатом образования Ge-O-Si и GeO ₂ . Гео ₂ слой образовался плазменным окислением поверхности кислородом в процессе PEALD SiO ₂ процесс осаждения. Следовательно, настоящая изготовленная структура здесь - HfO ₂ / Si-O-Ge / GeO ₂ / Ge стеки. Более того, спектр Ge 3d не показывает очевидных изменений после обработки PDA при 500 ° C, что указывает на термическую стабильность HfO ₂ / Si-O-Ge / GeO ₂ / Ge стеки без GeO ₂ деградация. Об этом сообщили Kita et al. что некоторые покрывающие слои на GeO ₂ может подавить GeO ₂ разложение, такое как Si или La ₂ О ₃ [19]. Следовательно, PEALD, индуцированный прослойкой Si-O-Ge здесь, также может подавлять GeO ₂ разложение. На основании приведенного выше анализа РФЭС можно сделать вывод, что на поверхности Ge формируется сверхтонкая прослойка Si-O-Ge. Более того, этот промежуточный слой демонстрирует фантастическую термическую стабильность без образования Hf-силикатов, он также может ингибировать GeO ₂ деградация.

XPS-спектры SiO ₂ / Ge и HfO ₂ / SiO ₂ / Ге конструкции. а Si 2p-спектры SiO ₂ , после осаждения и отожженного HfO ₂ / SiO ₂ на Ge. б Si 2p-спектры толстого SiO ₂ (7 нм) на Ge. c, d Спектры Hf 4f и Ge 3d после осаждения и отжига HfO ₂ / SiO ₂ / Ге конструкции

На рисунке 2а показаны высокочастотные (1 МГц) C-V кривые HfO ₂ . / SiO ₂ стеки затвора на Ge до и после КПК. Можно обнаружить, что напряжение плоской полосы ( В _fb ) значения HfO ₂ / SiO ₂ / Ge до и после КПК составляют 0,42 и 0,27 В соответственно. Расчетный идеал V _fb значение 0,55 В. Слегка отрицательное значение V _fb сдвиг указывает на положительные фиксированные заряды, которые могут быть вызваны кислородными вакансиями в диэлектриках [26, 27]. Во время процесса отжига в инертной атмосфере может появиться больше кислородных вакансий, что приведет к слегка отрицательному V _fb сдвиг. Во многих публикациях было продемонстрировано, что GeO ₂ деградация во время отжига приведет к положительному V _fb сдвиг. Считается, что процесс десорбции Ge-O генерирует дополнительные отрицательные заряды [28, 29]. Следовательно, можно также сделать вывод, что GeO ₂ разложение подавляется прослойкой Ge-O-Si из V _fb сдвиг. Накопительная емкость явно увеличивается с исходных 1,92 до 2,25 мкФ / см ² . после КПК. Соответствующие значения эквивалентной толщины емкости (CET) МОП-конденсаторов могут быть рассчитаны из накопительных емкостей кривых C-V с использованием ε ₀ ε _r Кондиционер _acc [30]. Следовательно, меньшая CET 1,53 нм получается после PDA по сравнению с образцом после осаждения 1,80 нм. Это можно объяснить тем фактом, что более плотный и тонкий слой high-k может быть получен после процесса PDA. На рисунке 2b показаны характеристики тока утечки HfO ₂ . / SiO ₂ фильмы на Ge до и после КПК. При напряжении смещения В _fb + 1 В, плотность тока утечки составляет 2,1 × 10 ⁻³ А / см ² и 2.2 × 10 ⁻⁴ А / см ² для образца до и после КПК соответственно. Повышенную плотность тока утечки после КПК можно также объяснить уменьшением толщины диэлектрика затвора.

Электрические характеристики HfO ₂ / SiO ₂ стеки затворов на подложках Ge до и после КПК 500 ° C. а Высокочастотные (1 МГц) C-V кривые. б J-V кривые

Чтобы проверить качество интерфейса HfO ₂ / SiO ₂ / Ge количественно плотность состояний интерфейса ( D _это ) определялась методом проводимости [31]. На рисунке 3 показано распределение D _это ниже E _c в запрещенной зоне, извлеченной методом проводимости при комнатной температуре для Pt / HfO ₂ / SiO ₂ / Ge до и после КПК 500 ° C. D _это можно приблизительно рассчитать из D _это =2,5 × ( G _p / w ) _макс / А q, где ( G _p / w ) _макс - пиковое значение кондуктометрической характеристики, f (= w / 2π) - частота, A - площадь электрода, а q это элементарный заряд. Следовательно, D _это значения Pt / HfO ₂ / SiO ₂ Структуры / Ge без КПК и с ним составляют 4,05 × 10 ¹² эВ ⁻¹ см ^-2 и 5,37 × 10 ¹² эВ ⁻¹ см ⁻² в E-E _v =0,38 эВ соответственно. Нижний D _это значения 2,03 × 10 ¹² см ⁻² эВ ⁻¹ и 2,67 × 10 ¹² см ⁻² эВ ^-1 вблизи дна зоны проводимости наблюдаются для образцов без и с КПК соответственно.

Распространение D _it ниже E _c в запрещенной зоне при комнатной температуре для Pt / HfO ₂ / SiO ₂ / Ge до и после КПК 500 ° C

На рисунке 4 показана плотность тока утечки ( Дж _g ) -CET взаимосвязь МОП-конденсатора на основе германия с различным межфазным управляющим слоем [32, 33]. По сравнению с S-пассивированным Ge без прослойки, описанным в нашей предыдущей работе [34], HfO ₂ / SiO ₂ / Ge в этой работе демонстрирует значительно улучшенные свойства с меньшим CET (1,53 против 2,18 нм), плотностью тока утечки (2,1 × 10 ⁻³ против 3,1 А / см ² ) и D _это (4,37 × 10 ¹² против 8,61 × 10 ¹² эВ ⁻¹ см ⁻² ). Это подразумевает, что SiO ₂ , образованный на месте PEALD замечательный пассивирующий слой для Ge. Более того, по сравнению с SiO ₂ , сформированным ex-situ прослойка методом MOCVD [9], образец с SiO ₂ , сформированным in situ PEALD Промежуточный слой в этой работе показывает лучшие электрические характеристики как с меньшим CET (1,53 против 1,75 нм), так и с плотностью тока утечки (2,1 против 3,9 мА / см ² ). Это можно объяснить тем, что SiO ₂ осажденные PEALD более однородны, чем MOCVD, особенно для сверхтонкой толщины.

Зависимость плотности тока утечки (Jg) -CET для МОП-конденсаторов на основе Ge с различным межфазным контрольным слоем

Выравнивание полосы при HfO ₂ / SiO ₂ Граница раздела / Ge была также определена путем измерения смещения валентной зоны ∆E _v (VBO) с использованием XPS. Значения VBO могут быть получены на основе предположения, что разность энергий между остовным уровнем и краем валентной зоны (VB) подложки остается постоянной при нанесении диэлектрических пленок или без него [35]. Здесь подложка Ge была выбрана в качестве эталона для определения VBO между стопкой диэлектриков затвора и подложкой Ge. На рисунке 5а представлены VB-спектры чистой подложки Ge после осаждения и отожженного HfO ₂ . / SiO ₂ Сумки / Ge определены методом линейной экстраполяции соответственно. Край VB чистой подложки Ge был определен как 0,10 эВ. И кромки VB непосредственно осажденного и отожженного HfO ₂ / SiO ₂ образцы оказались равными 2,55 и 2,79 эВ соответственно. Можно заметить небольшой хвост в спектрах VB для HfO ₂ . / SiO ₂ / Ge, что соответствует сигналу подложки Ge [36]. Передний край этого слабого хвоста составляет 0,10 эВ и совпадает с VB-краем подложки Ge. Следовательно, VBO в интерфейсе HfO ₂ / SiO ₂ / Ge с КПК и без него составляют 2,69 и 2,45 эВ соответственно. Смещение зоны проводимости ∆ E _c (CBO) может быть получен путем вычитания VBO и ширины запрещенной зоны субстрата из запрещенной зоны HfO ₂ :

Выравнивание полос осажденного и отожженного HfO ₂ / SiO ₂ фильм по Ге. а Спектры валентной зоны подложки Ge после осаждения и отжига HfO ₂ / SiO ₂ фильмы. б Схема выравнивания полос осажденного и отожженного HfO ₂ / SiO ₂ фильм на Ge

где E _г (HfO ₂ ) и E _г (Ge) - ширина запрещенной зоны HfO ₂ и Ge соответственно. Ширина запрещенной зоны Ge и HfO ₂ равны 0,67 и 5,6 эВ соответственно. Следовательно, значения CBO в интерфейсе HfO ₂ / SiO ₂ / Ge с КПК и без него оцениваются в 2,24 и 2,48 эВ соответственно. Значения CBO согласуются с ранее опубликованными данными 1,8–2,6 эВ [37]. На рис. 5b показано соответствующее выравнивание полос HfO ₂ после осаждения и после отжига. / SiO ₂ / Ге конструкции. Очевидно, HfO ₂ / SiO ₂ Диэлектрические стеки затвора с высоким k на Ge демонстрируют большие значения VBO и CBO с огромной высотой барьера для подавления тока утечки.

Выводы

Таким образом, SiO ₂ прослойка была введена в HfO ₂ затворные диэлектрики на подложках n-Ge успешно с помощью PEALD in situ. Мы исследовали межфазные, электрические свойства и выравнивание полос HfO ₂ / SiO ₂ / Ге МОС. Было продемонстрировано, что прослойка Ge-O-Si и GeO ₂ слой образуется на поверхности Ge в процессе in situ SiO ₂ осаждение. Этот промежуточный слой Ge-O-Si демонстрирует фантастическую термическую стабильность во время PDA без образования Hf-силикатов. Более того, прослойка Ge-O-Si может также ингибировать GeO ₂ деградация в процессе отжига. HfO ₂ / SiO ₂ Образец / Ge после КПК показывает значение CET 1,53 нм с низкой плотностью тока утечки 2,1 × 10 ⁻³ А / см ² в V _fb + 1 В. Значения VBO на HfO ₂ / SiO ₂ / Ge с КПК и без него составляют 2,69 и 2,45 эВ, а значения CBO равны 2,24 и 2,48 эВ, соответственно. По сравнению с SiO ₂ , сформированным ex situ прослойка методом MOCVD, образец с SiO ₂ , сформированным in situ PEALD прослойка в этой работе показывает улучшенные электрические характеристики, приписываемые тому факту, что SiO ₂ депонированные PEALD более однородны, чем MOCVD. Таким образом, PEALD является гораздо более мощной технологией для нанесения ультратонкого межфазного контрольного слоя, чем MOCVD.