Высокомобильные Ge pMOSFET с диэлектриком ZrO2:последствия отжига после отжига

Фон

Германий (Ge) считается одним из привлекательных материалов с p-каналом для усовершенствованных КМОП, поскольку он обеспечивает гораздо более высокую подвижность дырок, чем Si [1,2,3]. Высококачественный диэлектрик затвора и эффективная пассивация поверхности Ge являются ключами к реализации превосходной эффективной подвижности носителей ( μ _eff ) и высокий ток возбуждения в Ge-транзисторе [4,5,6,7]. Несколько материалов с высоким κ, таких как HfO ₂ [8], ZrO ₂ [7, 9], Ла ₂ О ₃ [10], и Y ₂ О ₃ [11] изучались в качестве альтернативных диэлектриков затвора для полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник Ge p-типа (pMOSFET) для достижения масштабируемости эквивалентной толщины емкости (CET) до уровня менее 1 нм. Среди них ZrO ₂ Диэлектрик привлек наибольшее внимание из-за гораздо более высокого значения κ [12, 13] и лучшего качества поверхности раздела [14] по сравнению с диэлектриками на основе Hf. Широко сообщалось, что кристаллизация ZrO ₂ может дополнительно улучшить электрические характеристики Ge pMOSFET, например, уменьшив CET и увеличив μ _eff [15, 16]. Тем не менее, отсутствуют исследования влияния этапов процесса для ZrO ₂ . кристаллизации на характеристиках устройств на германиевых транзисторах.

В этой статье мы исследуем влияние отжига металла после осаждения (PMA) и отжига после осаждения (PDA) на электрические характеристики Ge pMOSFET с ZrO ₂ диэлектрик. Значительно улучшено μ _eff и снижение CET может быть достигнуто в устройствах с более высокой температурой PMA.

Методы

Основные этапы процесса изготовления Ge pMOSFET с ZrO ₂ диэлектрики показаны на рис. 1а. Ge pMOSFET были изготовлены на пластине Ge (001) n-типа с удельным сопротивлением 0,088–0,14 Ом ∙ см. После нескольких циклов химической очистки в разбавленном растворе HF (1:50) и ополаскивания деионизированной водой. Пластина Ge загружалась в камеру осаждения атомных слоев (ALD). Поверхность Ge была пассивирована постокислением озоном (OPO), то есть ультратонким Al ₂ О ₃ Слой наносили при 300 ° C, а затем проводили ППО in situ при 300 ° C в течение 15 мин. После этого ZrO ₂ толщиной 5 нм осажден при 250 ° C в той же камере ALD с использованием TDMAZr и H ₂ O как предшественники Zr и O соответственно. Во время осаждения Zr [N (CH ₃ ) ₂ ] ₄ источник был нагрет до 85 ° C. Процесс PDA проводился на некотором образце при 400 ° C в течение 60 с с использованием быстрого термического отжига. Образцы с КПК и без него были обозначены как пластина II и I соответственно. Затем методом реактивного распыления наносился затворный электрод из TaN толщиной 100 нм. После формирования рисунка затвора и травления области истока / стока (S / D) были сформированы BF ₂ ⁺ имплантация при энергии 30 кэВ и дозе 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² . Пятнадцать нанометровых никелевых S / D-контактов формировались методом отрыва. Наконец, для активации легирующей примеси и S / D металлизации был проведен PMA при 350, 400, 450 и 500 ° C в течение 30 с.

а Основные этапы процесса изготовления Ge pMOSFET с ZrO ₂ диэлектрик. б СЭМ-изображение изготовленного транзистора. c XTEM-изображение Ge pMOSFET, показывающее области затвора и S / D. г , e Изображения HRTEM стопки затворов Ge pMOSFET на пластине I, отожженной при 400 ° C и 500 ° C, соответственно

На рис. 1b показано изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), изготовленного на основе Ge pMOSFET. На рисунке 1c показано изображение Ge pMOSFET, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (XTEM), на котором показаны область истока / стока, металлический затвор и ZrO ₂ . диэлектрик. На рисунках 1d и e показаны изображения ПЭМ высокого разрешения (ПЭМВР) затворных стеков Ge pMOSFET с PMA при 400 и 500 ° C, соответственно, на пластине I. Наблюдается, что ZrO ₂ диэлектрик полностью кристаллизовался и подвергался ФМА при 500 ° C. Толщина Al ₂ О ₃ межфазный слой составляет около 0,7 нм.

Результаты и обсуждение

Инверсионная емкость C _inv по сравнению с V _GS Кривые, измеренные на частоте 300 кГц для устройств на пластине I, показаны на рис. 2. Извлеченные значения CET составляют ∼ 1,95, 1,80, 1,67 и 1,52 нм для устройств с PMA на 350, 400, 450, и 500 ° С соответственно. Меньший CET достигается при более высокой температуре PMA из-за кристаллизации ZrO ₂ . В общем, значения κ для аморфного и кристаллического ZrO ₂ составляют около 20–23 и 28–30 соответственно. Кристаллический ZrO ₂ толщиной 5 нм вносит EOT ~ 0,7 нм. Сдвиг C-V кривые с различной температурой ПМА связано с тем, что кристаллизация снижает плотность объемных ловушек в ZrO ₂ диэлектрик.

Инверсия C _inv - V _GS кривые для Ge pMOSFET на пластине I с PMA при 350 ° C, 400 ° C, 450 ° C и 500 ° C

На рис. 3а показаны измеренные передаточные характеристики и токи утечки затвора I . _G полевых МОП-транзисторов Ge на пластине I с различными температурами PMA. Все устройства имеют длину затвора L _G 4 мкм и шириной затвора W 100 мкм. Ge pMOSFET демонстрируют гораздо более низкое значение I _G по сравнению с I _DS для всех температур PMA. Я _ВКЛ / Я _ВЫКЛ соотношение выше 10 ⁴ достигается для устройства с PMA при 500 ° C. Я _DS - V _DS кривые устройств, измеренные при разной перегрузке гейта | V _GS - V _TH | показаны на рис. 3б. Отмечается, что пороговое напряжение В _TH определяется как V _GS в I _DS из 10 ⁻⁷ А / мкм. Транзистор Ge с PMA при 500 ° C обеспечивает улучшение управляющего тока на ~ 47% и 118% по сравнению с устройствами, отожженными при 450 ° C и 350 ° C, соответственно, при V _DS из - 1,0 В и | В _GS - V _TH | 0,8 В. На рис. 3с показан статистический график I _ВКЛ при V _DS от - 0,5 В и В _GS - V _TH - 1 В для Ge pMOSFET с различными температурами PMA. Все транзисторы на этом графике имеют обозначение L . _G 4 мкм и W 100 мкм. Устройства с PMA при 500 ° C демонстрируют улучшенный I _ВКЛ по сравнению с теми, у которых более низкие температуры PMA, что объясняется уменьшенным сопротивлением S / D, уменьшенным CET и более высоким μ _eff , о чем будет сказано позже.

а Измерено I _D , Я _S , и Я _G vs. V _GS кривые Ge pMOSFET на пластине I с ПМА при 350, 400, 450 и 500 ° C. б Я _DS - V _DS кривые, измеренные при различных V _GS - V _TH для устройств. c Устройство, отожженное при 500 ° C, имеет более высокий ток в открытом состоянии I _ВКЛ по сравнению с транзисторами с ПМА при более низких температурах

На рисунке 4 показаны статистические графики среднего промежутка D _это , SS и V _TH характеристики для устройств с различными температурами ПМА. Как показано на рис. 4a, на основе метода максимальной проводимости [17] средний зазор D _это значения извлекаются как 1,3 × 10 ¹³ , 9,5 × 10 ¹² , 9,2 × 10 ¹² , и 6,3 × 10 ¹² см ⁻² эВ ⁻¹ для устройств с PMA при 350, 400, 450 и 500 ° C соответственно. На рисунке 4b показано, что Ge pMOSFET, отожженные при 500 ° C, имеют улучшенные характеристики SS, чем транзисторы, отожженные при более низких температурах, из-за меньшей средней зазоры D _это и CET. Значения D _это и SS Ge pMOSFET с PMA по-прежнему выше, чем у наиболее известных Ge транзисторов. Его можно было бы уменьшить за счет оптимизации модуля пассивации OPO, например, Al ₂ О ₃ толщина, температура и продолжительность окисления озона. V _TH смещается в положительную сторону V _GS с повышением температуры PMA, что происходит из-за снижения CET и D _это . Сделан вывод, что наилучшие электрические характеристики достигаются для полевых МОП-транзисторов на основе Ge с PMA при 500 ° C.

Сравнение а midgap D _это , b SS и c V _TH для Ge pMOSFET на пластине I с PMA при 350, 400, 450 и 500 ° C

μ _eff , как решающий фактор, влияющий на ток возбуждения устройства и крутизну в Ge pMOSFET, был измерен с использованием Δ R _малыш / Δ L _G метод [18]. Большое количество устройств было измерено с помощью L _G от 1,5 до 9 мкм. На рисунке 5а показано полное сопротивление R . _малыш извлечено при | V _GS - V _TH | от - 1 В и В _DS от - 0,05 В как функция от L _G . R _SD - значение, при котором подобранная линия пересекает точку y -ось. R _SD оценочные значения составляют 7,85, 7,15, 6,10 и 4,35 кОм · мкм для устройств с PMA при 350, 400, 450 и 500 ° C соответственно. Это указывает на лучшую активацию легирующей примесью S / D при более высокой температуре PMA. μ _eff может быть извлечен с помощью μ _eff =1 / [ WQ _inv (Δ R _малыш / Δ L _G )], где Q _inv - инверсионная плотность заряда в канале Ge; Δ R _малыш / Δ L _G наклон R _малыш по сравнению с L _G как показано на рис. 5а. Чем меньше Δ R _малыш / Δ L _G для устройств с PMA при 500 ° C указывает на улучшение в μ _eff по сравнению с транзисторами с ПМА при 450 ° С. На рисунке 5b показано μ . _eff как функция от Q _inv кривые, извлеченные с использованием разделения C - V метод. Пиковая подвижность дырок составляет 384 см ² / В · с для устройств с PMA при 500 ° C, что на 31% выше, чем у устройств с PMA при 400 ° C. На высоком Q _inv из 1 × 10 ¹³ см ⁻² , Ge pMOSFET, подвергнутые PMA при 500 ° C, достигают большей мобильности по сравнению с устройствами, отожженными при 400 ° C. Ge-транзисторы с кристаллическим ZrO ₂ имеют более низкую плотность объемного заряда ловушки, что приводит к меньшему удаленному кулоновскому рассеянию дырок по сравнению с устройствами с аморфным ZrO ₂ . Благодаря гладкой границе раздела кристаллического ZrO ₂ и устройства Ge, Ge, отожженные при 500 ° C, имеют более низкое рассеяние шероховатости поверхности и показывают сдвиг максимальной подвижности в сторону более высокого Q _inv .

а R _малыш как функция от L _G при V _GS - V _TH от - 1 В и В _DS - 0,05 В для устройств на пластине I с различными температурами ПМА. б μ _eff vs. Q _inv извлекается разделением C - V метод. Наибольшая мобильность достигается в устройствах с PMA при 500 ° C

Далее мы обсудим влияние КПК на электрические характеристики полевых МОП-транзисторов на основе Ge. На рисунке 6 показаны измеренные C _inv по сравнению с V _GS полевых МОП-транзисторов Ge на пластине I и пластине II с помощью PMA при 400 ° C. Устройство, которое подвергалось воздействию КПК при 400 ° C, имеет гораздо более низкое значение CET 1,29 нм по сравнению с устройством без КПК 1,80 нм. На рисунке 7a показан I _D , Я _S , и Я _G - V _GS характеристические кривые Ge pMOSFET на пластине I и пластине II, а также устройств, прошедших ФМА при 400 ° C. Для устройства с КПК получается больший ток утечки затвора по сравнению с транзистором без КПК, что связано с более низким CET. Соответствующий I _DS - V _DS кривые устройств, измеренные при разной перегрузке ворот V _GS - V _TH показаны на рис. 7б. Транзистор на основе Ge без КПК показывает увеличение тока возбуждения на ~ 24% по сравнению с транзистором с КПК при 400 ° C при том же перегрузке - 0,8 В в области насыщения.

C _inv -V _GS графики для устройств на пластине I и II с PMA при 400 ° C

а Я _D , Я _S , и Я _G vs. V _GS кривые Ge pMOSFET на пластинах I и II с ФМА при 400 ° C. б Я _DS - V _DS кривые, измеренные при различных V _GS - V _TH для устройств

На рисунке 8 показаны статистические результаты среднего промежутка D _это , SS и V _TH полевых МОП-транзисторов Ge с КПК и без него. На рисунке 8a показано, что чем меньше D _это достигается в Ge pMOSFET с КПК при 400 ° C по сравнению с устройствами без КПК. На рис. 8b нижнее значение среднего подпорогового размаха в 142 мВ / декаду достигается для устройств с КПК при 400 ° C, что соответствует нижнему CET и нижнему D . _это . Это указывает на то, что устройства с КПК при 400 ° C имеют превосходный ZrO ₂ / Ge интерфейс. На рисунке 8c показано, что устройства с КПК и без него имеют разные значения V . _TH ; это может быть связано с плотностью ловушек в нижней половине запрещенной зоны, доминирующей в V _TH .

Сравнение а midgap D _это , b SS и c V _TH для Ge pMOSFET на пластинах I и II с PMA при 400 ° C

На рисунке 9a показан R _малыш по сравнению с L _G кривые при перегрузке гейта - 1 В и В _DS - 0,05 В для устройств с ПМА при 400 ° C. R _SD оценочные значения составляют 7,15 и 7,30 кОм · мкм для устройств без КПК и с КПК при 400 ° C соответственно. Как показано на рис. 9b, значительно более высокий пик μ _eff достигается для Ge pMOSFET без КПК, что соответствует меньшему Δ R _малыш / Δ L _G на рис. 9а, в сравнении с устройствами с КПК. Устройства с КПК при 400 ° C показывают пик μ _eff 211 см ² /Против; более низкая подвижность дырок может быть в основном связана с сильным кулоновским рассеянием на удалении, вносимым фиксированным зарядом в ZrO ₂ диэлектрик.

а R _малыш по сравнению с L _G кривые для устройств на пластине I и пластине II с ПМА при 400 ° C. б Подвижность дырок μ _eff по сравнению с Q _inv для устройств с КПК и без

Выводы

Таким образом, влияние PMA и PDA на Ge pMOSFET с ZrO ₂ диэлектрик были широко исследованы. Кристаллизация ZrO ₂ Диэлектрик затвора обеспечивает значительно повышенную подвижность отверстий и снижение CET по сравнению с устройствами с более низкой температурой PMA. Пиковая подвижность дырок 384 см ² / В · с и повышенный ток возбуждения были достигнуты в устройствах с PMA при 500 ° C. Устройства с КПК при 400 ° C показали более низкий CET и меньший D _это но плохая подвижность отверстий и больший ток утечки по сравнению с транзисторами без КПК.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

BF ₂ ⁺ :

Ион фторида бора

CET:

Емкостная эффективная толщина

Ge:

Германий

HF:

Плавиковая кислота

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

IL:

Межфазный слой

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

Ни:

Никель

КПК:

Отжиг после осаждения

PMA:

Последующий отжиг металла

SS:

Подпороговое колебание

TaN:

Нитрид тантала

TDMAZr:

Тетракис (диметиламидо) гафний

ZrO ₂ :

Диоксид циркония

μ _eff :

Эффективная мобильность оператора связи