Ge N-канальные МОП-транзисторы с диэлектриком ZrO2 для повышения мобильности

Фон

GERMANIUM (Ge) продемонстрировал преимущества более высокой подвижности носителей и более низкой температуры обработки по сравнению с Si-устройствами. Это делает Ge альтернативой для приложений сверхмасштабируемых логических устройств КМОП и тонкопленочных транзисторов (TFT) в качестве верхнего слоя в трехмерных интегральных схемах [1,2,3]. В последние несколько лет большие усилия были сосредоточены на пассивации поверхности, диэлектрике затвора и разработке каналов для полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с р-каналом Ge p-типа, что способствовало значительному улучшению электрических характеристик р-канальные устройства.

Но для Ge n-канальных MOSFET низкая эффективная подвижность несущей ( μ _eff ), вызванный плохим межфазным слоем стека затворов, сильно ограничивает производительность устройств. Различные методы пассивации поверхности, включая пассивацию Si [1], постокисление в плазме [4] и пассивацию InAlP [5], а также несколько диэлектриков с высоким κ, включая HfO ₂ , ZrO ₂ [6,7,8], Y ₂ О ₃ [9], и La ₂ О ₃ [10] были исследованы в Ge nMOSFET для усиления электронов μ _eff . Было продемонстрировано, что ZrO ₂ диэлектрик, интегрированный с каналом Ge, может обеспечить надежный интерфейс благодаря тому, что GeO ₂ межфазный слой может реагировать и смешиваться с ZrO ₂ слой [7]. Приличная дыра μ _eff сообщалось о Ge p-канальных транзисторах [6,7,8], в то время как в электронных μ еще есть много возможностей для улучшения. _eff для своих аналогов.

В этой работе Ge nMOSFET с ZrO ₂ диэлектрик затвора изготовлен для достижения улучшенного μ _eff над Si во всем диапазоне плотностей инверсионного заряда ( Q _inv ). Транзисторы Ge обеспечивают улучшение электронного μ на 50%. _eff по сравнению с универсальной мобильностью Si при среднем Q _inv из 5,0 × 10 ¹² см ⁻² .

Экспериментальный

Основные этапы процесса изготовления Ge nMOSFET на 4-дюймовых пластинах p-Ge (001) с удельным сопротивлением 0,136–0,182 Ом · см показаны на рис. 1a. Области истока / стока (S / D) были имплантированы ионом фосфора в дозе 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² и энергия 30 кэВ с последующим активационным отжигом легирующей примеси при 600 ° C. После предварительной очистки затвора пластины Ge загружали в камеру осаждения атомных слоев для формирования диэлектрического слоя (слоев) затвора:Al ₂ О ₃ / O ₃ окисление / ZrO ₂ , ZrO ₂ , или O ₃ окисление / ZrO ₂ для пластин A, B или C соответственно. Для пластины A, 0,9 нм Al ₂ О ₃ использовался для защиты поверхности канала в течение O ₃ окисление. О ₃ окисление проводилось при 300 ° C в течение 15 мин для обеих пластин A и C. Для всех пластин толщина ZrO ₂ составляла ~ 3,3 нм. Впоследствии металлический затвор TiN (100 нм) был осажден посредством физического реактивного распыления, и для формирования электрода затвора использовались литографические рисунки и реактивное ионное травление. После этого в S / D областях наносился слой Ni толщиной 25 нм. Наконец, был проведен отжиг после металлизации (PMA) при 350 ° C в течение 30 с для образования германида Ni и улучшения качества поверхности раздела. Схематические и микроскопические изображения изготовленного транзистора показаны на рис. 1b, c соответственно.

а Основные этапы процесса изготовления Ge nMOSFET. б Схема в разрезе и c изображение изготовленных устройств под микроскопом

На рис. 2а, б показаны изображения стопок затворов на пластинах A и B, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (HRTEM), соответственно. Единая толщина Al ₂ О ₃ / GeO _x межфазный слой (IL) для пластины A составляет ~ 1,2 нм, что указывает на 0,2–0,3 нм GeO _x . Для устройства на пластине B ультратонкий GeO _x ИЛ была продемонстрирована экспериментально [7].

HRTEM изображения a TiN // ZrO ₂ / Al ₂ О ₃ / GeO _x / Ge, b TiN / ZrO ₂ / GeO _x / Ge стеки для устройств на пластинах A и B соответственно

Результаты и обсуждение

Измеренная емкость ( C ) и ток утечки ( Дж ) характеристики для Ge МОП-конденсаторов на пластинах A, B и C измерены и показаны на рис. 3a, b соответственно. Эквивалентная толщина оксида (EOT) устройств на пластинах A, B и C составляет 1,79, 0,59 и 0,83 нм соответственно. Предполагая, что GeO _x IL обеспечивает дополнительный EOT ~ 0,25 нм для пластин A и C, сравнивая пластины B и C, 3,3 нм ZrO ₂ вносит EOT ~ 0,6 нм со значением κ ~ 21,8, что согласуется с предыдущим сообщенным значением аморфного ZrO ₂ [11]. Эти полученные результаты также подтверждают, что толщина GeO _x IL на пластине B незначительно.

а Измерено C как функция напряжения В характеристики для конденсаторов Ge pMOS на пластинах A, B и C. b Дж по сравнению с V кривые для устройств. c Бенчмаркинг J (извлечено в V _FB ± 1 В) конденсаторов Ge MOS в этой работе по сравнению с данными, полученными для аналогичных условий смещения из литературы

Гео _x / Al ₂ О ₃ IL для пластины A и GeO _x IL для пластины C дает EOT ~ 1,2 и ~ 0,25 нм соответственно. EOT устройств может быть дополнительно уменьшен за счет уменьшения толщины IL или улучшения качества интерфейса, а также увеличения диэлектрической проницаемости ZrO ₂ с некоторой пассивацией поверхности, например, NH ₃ / H ₂ плазменная обработка [6]. На рис. 3c сравнивается J в сравнении с характеристиками EOT для Ge nMOSFET в этой работе со значениями для других опубликованных Ge устройств [5, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. Также наблюдается, что результаты согласуются с заявленными Ge MOS с ультратонким EOT, следуя тем же тенденциям, указывая на то, что разница в токе утечки, показанная на рис. 3b, в основном объясняется разницей EOT.

На рисунке 4a показан измеренный ток стока ( I _D ) и ток источника ( I _S ) от напряжения затвора ( В _G ) кривые Ge nMOSFET из пластин A, B и C. Все транзисторы имеют длину затвора L _G 4 мкм и шириной затвора W 100 мкм. Точка подпорогового колебания (SS), определяемая как d V _G / d (журнал I _D ), как функция от I _D Кривые для транзисторов на рис. 4а рассчитаны и показаны на рис. 4б. Уточняется, что транзистор на пластине A демонстрирует ухудшенный I _D пол утечки и SS по сравнению с устройствами на пластинах B и C. Помимо увеличения EOT в устройствах на пластине A, это приведет к увеличению SS, это явление следует частично отнести к тому факту, что устройство с Al ₂ О ₃ вставленный слой имеет более высокую плотность ловушек интерфейса ( D _это ) в запрещенной зоне канала Ge по сравнению с пластинами B и C.

а Измерено I _D и я _S по сравнению с V _GS кривые Ge nMOSFET на пластинах A, B и C. b Точка SS как функция от I _D для транзисторов. c Я _D - V _D характеристики показывают, что Ge nMOSFET на пластине A имеет более высокий ток возбуждения по сравнению с устройствами на пластинах B и C

На рисунке 4c показаны измеренные выходные характеристики, т. Е. I _D - V _D кривые для различных значений перегрузки гейта | V _G - V _TH | устройств, демонстрирующих, что транзистор Ge на пластине A обеспечивает значительно улучшенный ток возбуждения по сравнению с устройствами на пластинах B и C. Здесь V _TH определяется как V _GS соответствующий I _D из 10 ⁻⁷ А / мкм. Учитывая идентичные условия формирования S / D, усиленный I _DS для транзисторов на пластине A указывает более высокое значение μ _eff [18,19,20,21]. Аль ₂ О ₃ слой не привел к деградации D _это производительность вблизи зоны проводимости канала Ge.

На рисунке 5а показано полное сопротивление R _малыш как функция от L _G для Ge nMOSFET с ZrO ₂ диэлектрик с L _G от 2 до 10 мкм. Значения R _малыш извлекаются при овердрайве затвора 0,6 В и V _D 0,05 В. Сопротивление S / D R _SD транзисторов получается ~ 13,5 кОм мкм, используя подогнанные линии, пересекающиеся в точке y -ось. Аналогичный R _SD согласуется с идентичным процессом формирования PMA и S / D. Сопротивление канала R _CH значения устройств получаются по наклону подобранных линий, то есть Δ R _малыш / Δ L _G , который можно использовать для вычисления μ _eff характеристики Ge nMOSFET. Чтобы оценить качество интерфейса, используйте значения плотности прерывания интерфейса ( D _это ) были извлечены по следующему уравнению по методу Хилла [17]:

где q электронный заряд, А - площадь конденсатора, Г _{м, не более} - максимальное значение измеренной проводимости с соответствующей ей емкостью C _м , ω - угловая частота, а C _бык - емкость оксида затвора. D _это расчетные значения составляют 3,7, 3,2 и 2,3 × 10 ¹² эВ ⁻¹ см ⁻² для устройств на пластинах A, B и C соответственно.

Известно, что рассчитанные значения соответствуют середине промежутка D _это . Устройство с Al ₂ О ₃ IL на пластине A имеет более высокий средний зазор D _это по сравнению с устройствами на пластинах B и C. Это согласуется с результатами на рис. 3a и 4a, и более высокий средний промежуток D _это вызывает большую дисперсию обедненной емкости в пластине A, вызывая более высокий ток утечки I _DS по сравнению с двумя другими пластинами. Обратите внимание, что пластина A должна иметь нижний элемент D . _это вблизи запрещенной зоны проводимости из-за ее более высокого μ _eff поверх пластин B и C.

а R _малыш по сравнению с L _G кривые для Ge nMOSFET на пластинах A, B и C. Подгоняемая линия, пересекающаяся по оси y, и наклон линейных подгоночных линий используются для извлечения R _SD и R _CH , соответственно. б μ _eff для Ge nMOSFET в этой работе по сравнению с ранее опубликованными результатами для ненапряженных Ge-транзисторов. Устройства на пластине A показывают улучшенный μ _eff чем универсальная мобильность Si во всем диапазоне Q _inv

Хорошо известно, что μ _eff является узким местом для высокого тока возбуждения и крутизны в Ge nMOSFET. Здесь μ _eff можно рассчитать как \ (\ mu _ {{{\ text {eff}}}} =1 / [WQ _ {{{\ text {inv}}}} (\ Delta R _ {{{\ text {tot}}}}} / \ Delta L _ {{\ text {G}}})] \), где Δ R _малыш / Δ L _G наклон R _малыш по сравнению с L _G как показано на рис. 5а. Q _inv можно получить, интегрировав измеренные C _inv - V _G кривые. На рис. 5b мы сравниваем μ _eff против Q _inv полевых МОП-транзисторов Ge на пластинах A, B и C с описанными ранее в [18, 22,23,24,25]. Извлеченный пик μ _eff Значения транзисторов на пластинах A и C составляют 795 и 682 см ² / V s соответственно, а у Ge nMOSFET на пластине B - 433 см ² /Против. Ge nMOSFET с Al ₂ О ₃ IL значительно улучшает μ _eff по сравнению с транзисторами на пластине B или C, устройствами в [18, 22,23,24,25] в сильном поле и универсальной мобильностью Si во всем Q _inv диапазон. На вопрос _inv из 5 × 10 ¹² см ⁻² , 50% μ _eff улучшение достигается в устройствах на пластине A по сравнению с универсальной мобильностью Si. Это демонстрирует, что, защищая поверхность канала от перемешивания ZrO ₂ и GeO _x используя Al ₂ О ₃ , высококачественный интерфейс между изолятором затвора и Ge реализован для повышения характеристик подвижности, о чем также сообщалось в предыдущих исследованиях полевых МОП-транзисторов на основе Ge с ультратонким EOT [26]. μ _eff в транзисторах на пластине C выше, чем в универсальных Si на Q _inv из 2,5 × 10 ¹² см ⁻² , хотя он быстро затухает с увеличением Q _inv диапазон. Это означает, что использованный O ₃ окисление перед ZrO ₂ осаждение в некоторой степени улучшит качество поверхности раздела; однако это не приводит к достаточно плоской поверхности канала, чтобы эффективно подавить рассеяние шероховатости поверхности носителя при высоких Q _inv из-за смешивания ZrO ₂ и GeO _{x ,} поскольку сообщается, что образование кислородных вакансий во время перемешивания приведет к увеличению шероховатости ближнего порядка (SRO) [27]. Оптимизация O ₃ процесс окисления или восстановления Al ₂ О ₃ Толщина IL может заставить транзистор Ge достичь пониженного EOT при сохранении более высокого μ _eff на высоком Q _inv .

Выводы

Исследовано влияние диэлектрической структуры и морфологии затвора на электрические характеристики Ge nMOSFET. Ан Аль ₂ О ₃ / ZrO ₂ диэлектрик затвора обеспечивает значительно улучшенные μ _eff по сравнению с универсальной мобильностью Si. μ _eff можно улучшить, вставив Al ₂ О ₃ слой между ZrO ₂ и канал Ge, что, однако, неизбежно приводит к увеличению EOT. Аль ₂ О ₃ -бесплатные Ge nMOSFET с O ₃ окисление поверхности Ge до ZrO ₂ осаждение достичь пика μ _eff 682 см ² / V s, что выше, чем у Si при аналогичном Q _inv .

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

Ge:

Германий

ZrO ₂ :

Диоксид циркония

Al ₂ О ₃ :

Оксид алюминия

O ₃ :

Озон

Si:

Кремний

PMA:

Пост-металлический отжиг

КПК:

Отжиг после осаждения

IL:

Межфазный слой

TiN:

Нитрид титана

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл – оксид – полупроводник

ALD:

Осаждение атомного слоя

HF:

Плавиковая кислота

µ _eff :

Эффективная мобильность оператора связи

PPO:

Постокисление плазмы

SS:

Подпороговое колебание

CET:

Толщина, эквивалентная емкости

EOT:

Эквивалентная толщина оксида

Qinv:

Плотность инверсионного заряда

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

Ни:

Никель

GeO _x :

Оксид германия

I _DS :

Слить ток

V _GS :

Напряжение затвора

V _TH :

Пороговое напряжение