Ge pMOSFET с пассивацией GeOx, образованной озоном и пост-окислением плазмы

Фон

С обычными комплементарными устройствами металл-оксид-полупроводник (CMOS), приближающимися к своему физическому пределу, трудно реализовать повышение производительности для высокоскоростных полупроводниковых устройств с кремнием (Si) в качестве материала канала. Замена материала подложки или канала другим материалом с высокой подвижностью является обязательным вариантом. Германий (Ge) рассматривался как многообещающий альтернативный материал канала из-за более высокой подвижности носителей, чем у Si. MOSFET обычно требует высококачественного интерфейса оксид / полупроводник для достижения высокой эффективной подвижности. Однако на протяжении довольно долгой истории полевые МОП-транзисторы Ge страдали от высокой плотности состояний интерфейса ( D _это ) из-за плохой термостойкости GeO ₂ и оборванные облигации [1]. Таким образом, было проведено множество исследований по пассивации интерфейса Ge.

Сообщалось о нескольких подходах к достижению высококачественного интерфейсного слоя Ge / диэлектрика, таких как пассивация Si путем равномерного нанесения нескольких монослоев Si на подложку Ge перед диэлектрической эпитаксией или самопассивация путем образования GeO ₂ специально [2, 3]. Для формирования качественного GeO ₂ слоя, существует множество процессов окисления для уменьшения D _это и улучшить термическую стабильность, включая окисление под высоким давлением [4], окисление озоном [5], H ₂ O плазма [6], и плазма после электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) после окисления [7].

В последние годы было опубликовано множество работ о том, что высокопроизводительный полевой МОП-транзистор на основе Ge может быть реализован путем постокисления через Al ₂ О ₃ / Ge интерфейс. В 2014 году был реализован КМОП-инвертор Ge на подложке Ge-on-insulator (GeOI) с GeO _x выращены путем быстрого термического отжига в среде чистого кислорода после 1 нм Al ₂ О ₃ был нанесен на Ge [8]. В исх. [7], Ge pMOSFET и nMOSFET с GeO _x пассивация производилась с кислородно-плазменным постокислением и температурной зависимостью GeO _x также обсуждались толщина и электрические характеристики. Термическое окисление Ge озоном можно проводить при более низкой температуре, поскольку озон более активен, чем кислород [5]. Влияние температуры на GeO _x была продемонстрирована толщина, выращенная озоном на поверхности Ge. Ge pMOSFET с GeO _x Также сообщалось о пассивации, производимой постокислением озоном [9].

В этой работе Ge pMOSFET с GeO _x пассивация производится с использованием постокисления озоном (OPO) и постокисления кислородной плазмой (PPO) Al ₂ О ₃ / n-Ge интерфейс. Проведено сравнительное исследование электрических характеристик Ge pMOSFET с OPO и PPO. Все процессы, кроме пассивации, точно контролируются, чтобы быть одинаковыми. Последующее окисление проводили после Al ₂ О ₃ осаждение блочного слоя, которое отличается от [9], в котором постокисление проводилось после HfO ₂ осаждение. Механизм дегенерации подвижности кулоновского рассеяние на шероховатостях. Влияние толщины Al ₂ О ₃ также обсуждается блочный уровень производительности устройства. В целом, мы демонстрируем, что OPO является многообещающим методом пассивации для будущего производства полевых МОП-транзисторов на основе Ge.

Методы

Ge pMOSFET были изготовлены на 4-дюймовом корпусе. Пластины n-Ge (001) с удельным сопротивлением 0,14–0,183 Ом · см. Были выполнены три различных процесса пассивации, и основные этапы процесса показаны на рис. 1а. Пластины очищали разбавленной HF (1:50) и деионизированной водой в течение нескольких циклов для удаления естественного оксида, а затем немедленно переносили в камеру PEALD (Picosun R200 Advanced) для осаждения атомных слоев. Затем тонкий Al ₂ О ₃ Пленка (~ 1 нм) была нанесена при 300 ° C с использованием триметилалюминия (ТМА) и деионизированной воды (H ₂ O) как предшественники Al и O соответственно. Поскольку Аль ₂ О ₃ / GeO ₂ слой слишком тонкий, чтобы иметь точное соотношение атомов кислорода, мы пометили эти два слоя как AlO _x / GeO _x . PPO проводился удаленным источником плазмы Litmas в течение 60 с. Для обработки OPO в 50% O ₃ использовался генератор озона (генераторы озона серии AC IN USA) с входным потоком кислорода 750 sccm. / O ₂ окружающий. Без нарушения вакуума, 60-тактный HfO ₂ затем был нанесен на верхнюю часть AlO _x / GeO _x после обработки PPO или OPO при 300 ° C с использованием тетракисдиметиламиногафния (TDMAHf) и H ₂ O как предшественники Hf и O соответственно. Затем методом реактивного распыления наносили TaN с длиной волны 100 нм в качестве затворного металла. После формирования затвора и травления, самовыравнивающийся BF ²⁺ имплантация в области истока / стока (S / D) с энергией 20 кэВ и дозой 1 × 10 ¹⁵ см ^{- 2} было проведено. Металл Ni S / D с толщиной 20 нм был нанесен и структурирован с помощью процесса отслаивания. Наконец, был проведен быстрый термический отжиг при 450 ° C в течение 30 с для активации легирующей примеси и омического контакта S / D. Схематические и микроскопические изображения изготовленных Ge pMOSFET показаны на рис. 1b и c соответственно.

а Ключевой технологический процесс изготовления Ge pMOSFET с GeO ₂ пассивация поверхности с помощью трех различных методов пассивации. б Схема и c микроскопические изображения изготовленного Ge-транзистора

Сечение TaN / HfO ₂ / AlO _x / GeO _x Стек затворов / Ge был изображен с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) для сравнения воздействия кислородной плазмы или озона на GeO _x формирование. На рис. 2а и б показаны ПЭМ-изображения поперечного сечения TaN / HfO ₂ . / AlO _x / GeO _x Стек затворов / Ge с PPO и OPO соответственно. Толщина аморфного HfO ₂ слой в обоих устройствах составляет 6 нм. Пластина A с обработкой PPO 60 секунд имеет отчетливый AlO _x / GeO _x слой между HfO ₂ и подложки Ge. Это AlO _x / GeO _x слой в пластине B, сформированный 20-минутным OPO, имеет неаккуратный край. Толщина GeO _x слой соответствует данным [10].

ПЭМ-изображения поперечного сечения стека затворов high-k / metal с AlO _x / GeO _x межфазный слой (ИС), изготовленный а OPO и b PPO на канале n-Ge (001)

Результаты и обсуждение

Выходные и передаточные характеристики в сочетании с высокочастотным емкостным напряжением затвор-исток (CV) были измерены Keithley 4200-SCS. На рисунке 3 показано сравнение передаточной и выходной характеристик Ge pMOSFET при трех различных условиях формирования AlO _x / GeO _x слой пассивации. Все устройства на разных пластинах имеют длину затвора ( L _G ) 3 мкм. Устройства на пластине A демонстрируют более высокий ток насыщения стока ( I _DS ) по сравнению с двумя другими пластинами. Но пластины B и C с OPO показывают гораздо более низкий ток в выключенном состоянии ( I _ВЫКЛ ) по сравнению с пластиной A с PPO. Также видно, что пластины B и C с OPO работали в режиме улучшения, а пластина A работала в режиме истощения. Предполагается, что после обработки PPO поверхность n-Ge все еще остается p-типа из-за высокого D _это значение, которое обсуждалось в [11]. Пластина C с более толстым Al ₂ О ₃ блочный слой показывает положительное значение V _TH сдвиг по сравнению с пластиной B и более высоким D _это чем пластина B. Из выходных характеристик, показанных на рис. 3b, видно, что при низком напряжении затвора ( V _GS ) пластина A имеет нижний I _DS по пластинам B и C из-за менее крутого подпорогового колебания (SS). Когда V _GS увеличивается, I _DS пластины A становится выше по сравнению с двумя другими устройствами. Следовательно, из рис. 3 и изображений ПЭМ на рис. 2 видно, что диффузия AlO _x / GeO _x слой может подавлять I _ВЫКЛ , что приводит к улучшению эффектов пассивации.

а Я _DS –V _GS и b Я _DS –V _DS характеристики Ge pMOSFET с Al ₂ О ₃ / GeO ₂ слой пассивирования, изготовленный из PPO (пластина A) и OPO (пластины B и C)

На рисунке 4 представлены статистические результаты исследования I _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение и подпороговые колебания устройств на разных пластинах. Ge pMOSFET с OPO демонстрируют более высокое значение I _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение (~ 4 порядка) и заметно улучшенное SS по сравнению с устройством PPO, что указывает на более высокое качество интерфейса диэлектрик / канал. По сравнению с пластиной B пластина C показывает более высокий ток в открытом состоянии ( I _ВКЛ ) но более низкий I _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение.

Статистические графики a СС и б Я _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение для Ge pMOSFET с различными условиями пассивации

Чтобы дополнительно представить качество межфазного слоя различных методов постокисления, пластины A, B и C (фиктивные образцы без HfO ₂ и металлы затвора) были протестированы с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Измерение XPS проводилось на трех образцах макета после окисления после обработки PPO или OPO без HfO ₂ осаждение и распыление TaN. Стехиометрия GeO _x в А1 ₂ О ₃ Образцы / GeO / Ge исследовались с помощью источника монохроматического мягкого рентгеновского излучения Al Kα (1486,6 эВ). Ge 3 d пики и анализ дифференциации пиков показаны на рис. 5. Ge 3 d _5/2 пик трех образцов объединен при 29,7 эВ, а химические сдвиги Ge 3 d _3/2 , Ge ¹⁺ , Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , и Ge ⁴⁺ к Ge 3 d _5/2 установлены на 0,6, 0,8, 1,8, 2,75 и 3,4 эВ соответственно [12]. На рис. 5b пластина A показывает, что после PPO 60 секунд основная валентность Ge в GeO _x Ge ¹⁺ и Ge ³⁺ . Аналогичное распределение состояний Ge наблюдается в пластине C и Ge ³⁺ составляющая немного увеличена. На рис. 5b пластина B показывает, что устройство OPO с более тонким (10 циклов) Al ₂ О ₃ будет дополнительно окислять Ge ¹⁺ в Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , и Ge ⁴⁺ , а Ge ¹⁺ значительно сокращается.

а Ge 3 d XPS-спектры Al ₂ О ₃ / GeO _x / Ge образуется в разных условиях. б Пиковые фитинги Ge 3 d XPS-спектры от GeO ₂ слой для трех образцов

ВАХ затвор-исток показаны на рис. 6. Из ВАХ 1 МГц, D _это около середины промежутка оценивается Терманом метод [13], и значение эквивалентной толщины оксида (EOT) также оценивается, как указано в таблице 1. Двадцатиминутный OPO (пластины B и C) приводит к более высокому EOT по сравнению с PPO (пластина A). Пластина C демонстрирует более высокий EOT, чем пластина B, из-за более толстого Al ₂ О ₃ как блокирующий слой. Сообщалось, что толщина GeO _x на голой поверхности Ge в O ₃ окружающая среда достигает насыщения за несколько минут, а толщина насыщения определяется температурой, а не временем окисления [10]. Итак, в этой статье толщина GeO _x озоном после окисления насыщается через несколько минут, а оставшееся время окисления предназначено только для отжига.

Емкость затвор-исток в зависимости от В _GS характеристики Ge pMOSFET, пассивированных PPO (пластины A) и OPO (пластины B и C)

На рисунке 7 показано полное сопротивление ( R _T ) по сравнению с L _G каждого устройства в этой работе. Здесь R _T определяется как V _DS / Я _DS в V _DS =0,05 В и В _GS - V _TH =1 В. Последовательное сопротивление истока / стока (S / D) ( R _SD ) и сопротивления канала ( R _CH ) можно извлечь из точки пересечения и наклона линейной аппроксимации R _T - L _G линий, как показано на рис. 7. Извлеченные R _SD и R _CH результаты приведены в таблице 1. На рис. 7 показано, что полевые МОП-транзисторы Ge с PPO имеют более низкое значение R _SD и R _CH что согласуется с результатами измерения емкости, показанными на рис. 6.

Общее сопротивление ( R _T ) от длины ворот ( L _G ) полевых МОП-транзисторов Ge

Эффективная подвижность дырок μ _eff был извлечен на основе подхода, основанного на наклоне полного сопротивления. На рис. 8 мы сравниваем μ _eff наших Ge pMOSFET с обработкой PPO и OPO с таковыми из других известных Ge pMOSFET [9, 14]. Q _inv - инверсионная плотность заряда в канале устройства. Ge pMOSFET с OPO демонстрирует более высокий пик μ _eff по сравнению с аппаратами с ППО. Пластина C с более толстым Al ₂ О ₃ блочный слой имеет более высокую пиковую подвижность дырок - 283 см ² / V s по сравнению с пластиной B с более тонким Al ₂ О ₃ . Пластина A с PPO демонстрирует более низкое высокополевое отверстие μ _eff с приборами с ПГС, что связано с меньшим рассеянием шероховатости. Но при низком поле транзисторы на пластине A с PPO достигают более низкого μ _eff чем устройства OPO из-за более высокого кулоновского рассеяния [15]. Сообщается лишь о нескольких работах о Ge pMOSFET, изготовленных путем озоновой пассивации. Здесь проводится сравнение производительности ключевых устройств между нашими устройствами и зарегистрированными Ge pMOSFET, обработанными OPO [9, 14], и результаты показаны в таблице 2. Сделан вывод, что пластина C в этой работе достигает высоких значений. -поле μ _eff улучшение и выше I _ВКЛ / Я _ВЫКЛ по сравнению с описанным устройством, обработанным ОПО. Кроме того, на Q _inv из 5 × 10 ¹² см ^{- 2} , пластина C демонстрирует в 2,37 раза больше μ _eff по сравнению с Si универсальная мобильность. Я _ВКЛ пластины C несколько ниже, чем в [5]. [9], что связано с большим EOT.

μ _eff против Q _inv Ge pMOSFET с различными условиями пассивации. Транзисторы Ge с 15 циклами Al ₂ О ₃ + 20 мин. O ₃ окисление (пластина C) показывает пик μ _eff 283 см ² /Против. Влияние сопротивления S / D на μ _eff извлечение было удалено методом извлечения эффективной подвижности канала на основе наклона полного сопротивления [16]

Выводы

Ge pMOSFET реализованы с использованием GeO _x пассивация, которая образуется обработкой Al ₂ OPO или PPO О ₃ / n-Ge в PEALD. Устройства OPO демонстрируют лучшие передаточные и выходные характеристики, чем выше I _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение, улучшенное подпороговое колебание и более высокий пик μ _eff по сравнению с приборами PPO. Для 15-тактного процесса OPO более толстый Al ₂ О ₃ слой приводит к более высокому значению EOT и улучшенному μ _eff в устройствах по сравнению с 10-тактным случаем. Все результаты в этой работе показывают, что OPO является эффективным способом пассивации для достижения высококачественной границы раздела Ge / диэлектрик и, таким образом, может быть многообещающим кандидатом в метод пассивации для будущего изготовления полевых МОП-транзисторов на основе Ge.

Сокращения

Al ₂ О ₃ :

Оксид алюминия

ALD:

Осаждение атомного слоя

BF ₂ ⁺ :

Ион фторида бора

EOT:

Эквивалентная толщина оксида

Ge:

Германий

GeO _x :

Оксид германия

HF:

Плавиковая кислота

HfO ₂ :

Диоксид гафния

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

OPO:

Последующее окисление озона

PPO:

Пост оксидирование в плазме

Q _inv :

Плотность инверсионного заряда

SS:

Подпороговое колебание

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

μ _eff :

Эффективная подвижность ствола