Снижение контактного сопротивления металл-Ge с ZnO интерслоями и аргоновой плазмой: достижение омических Al контактов на n-Ge

Аннотация

Мы представляем систематическое исследование металл-изолятор-полупроводник (MIS) контактов на n-Ge, включающее тонкий интерфейсный слой (IL) ZnO для подавления закрепления уровня Ферми (FLP) на интерфейсе металл/Ge. Наблюдается скромное смещение зон проводимости 0,22 эВ между ZnO и n-Ge, которое вместе с IL дает значительное снижение контактного сопротивления (R_c) по сравнению с устройствами без ZnO. Обработка аргоновой (Ar) плазмой ZnO дополнительно улучшает R_c за счет увеличения концентрации кислородных вакансий (V_o), действующих как n-тип легирующие примеси. Омическое поведение достигнуто для Al/ZnO/n-Ge с концентрацией носителей Ge 3 × 10¹⁶ см⁻³. Для сильно легированного n⁺-Ge (P⁺ имплантация) удельное контактное сопротивление 2,86 × 10⁻⁵ Ом·см² достигнуто с Ar плазмой-обработанным ZnO.

Введение

Германий предлагает превосходные подвижности носителей по сравнению с кремнием, делая его главным кандидатом для продвинутых MOSFET [1, 2]. Хотя прогресс в напряженных Ge каналах, пассивации поверхности и контактах сток/исток привел к ультрамасштабированным Ge p-FinFET, превосходящим Si аналоги [3–11], n-канальные Ge устройства все еще борются с плохим качеством интерфейса, ограниченной активацией n-тип легирования и сильным FLP, повышающим высоту Шотткиевского барьера до ~0,5 эВ для большинства металлов на n-Ge [13–15].

Вставка тонкого IL такого как TiO₂ [16] или ZnO [17] может дезактивировать уровень Ферми, блокируя металл-индуцированные зазоровые состояния (MIGS) [18, 19, 20]. ZnO особенно привлекателен, потому что у него небольшое смещение зоны проводимости с Ge, позволяя более тонкую зону истощения и потенциально более низкое R_c чем TiO₂ (которое имеет положительное смещение) [16]. Кроме того, ZnO может быть легко n-легрован через кислородные вакансии (V_o), дополнительно уменьшая ширину зоны истощения. Конвенциональное создание вакансий азотированием при высоких температурах рискует интердиффузией и миграцией легирующих примесей, необходима низкотемпературная подход [23–25].

Эта работа исследует смягчение FLP с использованием ALD-выращенных ZnO IL и исследует влияние Ar плазмы на контактное сопротивление Al/ZnO/n-Ge.

Методы

Металлические контакты изготавливали на слабо легированном (≈3 × 10¹⁶ см⁻³) и сильно легированном n-Ge(001) подложках. Последние производились 30 кэВ P⁺ имплантацией (1 × 10¹⁵ см⁻²) с последующим 600 °C, 60 с быстрым термическим отжигом. После очистки деионизированной водой и разбавленным HCl, подложки загружали в ALD камеру (Beneq TSF-200) для осаждения ZnO при 150 °C с пред.cursorми DEZn и H₂O. Исследовали три толщины ZnO (1, 2, 3 нм); толщины верифицировали спектроскопическим эллипсометром (SE). Al контакты спуттерили и структурировали лифт-офф. Некоторым ZnO пленкам давали Ar плазму (50 Вт, 60 sccm, 45 с). Контактное сопротивление извлекали круговым методом линейной передачи (CTLM); экспонированный ZnO полностью травляли для изоляции устройств [16]. Электрические измерения использовали Keithley 4200 SCS. Структурные и химические анализы использовали ВРТЭМ, XPS и УФ-Vis спектроскопию (PerkinElmer LAMBDA 950) для определения запрещенной зоны ZnO.

Результаты и обсуждение

Материальная характеристика Al/ZnO/n-Ge

Рисунок 1 показывает XPS валентные зоны для объемного ZnO, интерфейса ZnO/Ge и чистого Ge, позволяя определить валентное смещение (VBO) 2,33 эВ. В сочетании с запрещенной зоной ZnO 3,21 эВ (Рис. 2а), смещение зоны проводимости (CBO) на ZnO/Ge составляет 0,22 эВ (Рис. 2б), подтверждая эффективное подавление FLP. ВРТЭМ (Рис. 3) раскрывает равномерный, аморфный 3 нм ZnO слой, конформирующий к Al и Ge поверхностям, с тонким GeO_x интерфейсным слоем (<3 нм) сформированным при температуре осаждения 150 °C.

Ar плазма обработка увеличивает плотность кислородных вакансий, что подтверждается сдвигом O 1s пика к меньшей энергии связи в XPS (Рис. 4). Это обогащение вакансиями снижает туннельный барьер и последовательное сопротивление на интерфейсе Al/ZnO, напрямую способствуя более низкому R_c [36]. После плазмы VBO уменьшается на 0,05 эВ (Рис. 5), указывая на CBO 0,17 эВ и дальнейшее смягчение FLP.

Электрическая производительность Al/ZnO/n-Ge контактов

Ток-напряжение измерения (Рис. 6а) показывают, что Al/n-Ge устройства без ZnO демонстрируют выпрямляющее поведение из-за FLP, в то время как Al/ZnO/n-Ge устройства показывают улучшенный обратный ток и сниженную высоту барьера. Толщина ZnO 2 нм балансирует подавление MIGS и последовательное сопротивление, давая оптимальную производительность. Ar плазма обработка 2 нм ZnO слоя усиливает как прямой, так и обратный токи (Рис. 6б), подтверждая роль вакансий-индуцированного легирования.

Омическое поведение достигнуто для Al/2 нм ZnO/n-Ge по диапазону времени воздействия плазмы (15–60 с). Общее сопротивление R_tot уменьшается с длительностью плазмы, достигая удельного контактного сопротивления 3,66 × 10⁻³ Ом·см² после 45 с (Рис. 8). Поверхностное сопротивление Ge канала остается неизменным, указывая на то, что плазма селективно легует ZnO, а не Ge подложку.

Для сильно легированного n⁺-Ge, Al/2 нм ZnO контакт (плазма-обработанный 45 с) демонстрирует отличное омическое поведение (Рис. 9). Извлеченные значения: поверхностное сопротивление 64 Ом/□ и удельное контактное сопротивление 2,86 × 10⁻⁵ Ом·см², превосходящие ранее сообщенные металл/Ge контакты такие как Ni/GeSn, Ni/Ge и Ti/TiO₂/GeO₂/Ge [40–43]. Превосходная производительность атрибутируется тонкому, сильно легированному ZnO IL и сниженному FLP.

Заключение

Вставка тонкого ZnO IL эффективно дезактивирует уровень Ферми в Al/ZnO/n-Ge структурах, как подтверждается XPS зонным выравниванием. Ar плазма обработка дополнительно увеличивает концентрацию кислородных вакансий, усиливая n-тип легирование ZnO и драматически снижая контактное сопротивление. Омические Al контакты достигнуты на обоих слабо и сильно легированных n-Ge, с удельными сопротивляемостями 3,66 × 10⁻³ Ом·см² (n-Ge) и 2,86 × 10⁻⁵ Ом·см² (n⁺-Ge) когда ZnO плазма-обработан при 50 Вт на 45 с.