Снижение контактного сопротивления между металлом и n-Ge за счет введения ZnO при обработке аргоновой плазмой

Фон

Германий (Ge) привлек большое внимание в усовершенствованных полевых транзисторах металл-оксид-полупроводник (MOSFET) из-за его более высокой подвижности носителей по сравнению с Si [1, 2]. Для полевых МОП-транзисторов с р-каналом Ge большой прогресс был достигнут в создании напряженного канала Ge [3,4,5], пассивации поверхности [6,7,8,9] и контактов исток / сток (S / D) [ 10], а сверхмасштабированные Ge pFinFET [11] продемонстрировали превосходные электрические характеристики по сравнению с Si-устройствами. Ge n-канальные транзисторы, напротив, все еще сталкиваются с проблемами, которые создают препятствия для интеграции Ge CMOS, включая плохое качество интерфейса, что приводит к низкой подвижности электронов и высокому S / D-сопротивлению из-за ограниченной активации. скорость примесей n-типа в Ge [12] и пиннинг уровня Ферми (FLP) на границе раздела металл / n-Ge [13]. FLP приводит к высоте барьера Шоттки около 0,5 эВ для электронов для большинства металлов на n-Ge, создавая очень большое контактное сопротивление R _c [13,14,15].

Депиннинг на уровне Ферми может быть выполнен путем введения тонкого межфазного слоя (IL), например TiO ₂ [16] и ZnO [17], между металлами и n-Ge [18], из-за этого тонкая IL может блокировать волновую функцию металла в Ge, чтобы уменьшить индуцированные металлом щелочные состояния [19, 20]. ZnO имеет небольшой сдвиг зоны проводимости (CBO) по отношению к Ge, что может привести к меньшему R _c в металле / ZnO / n-Ge по сравнению с металлом / TiO ₂ / n-Ge с TiO ₂ / Ge, имеющий положительный CBO [16]. Диэлектрическая проницаемость ZnO меньше, чем у TiO ₂ . , так что ZnO ​​IL может получить более тонкую обедненную область между металлом и n-Ge по сравнению с TiO ₂ . Кроме того, легко реализовать легирование n-типа в ZnO путем введения нестехиометрических дефектов, таких как кислородные вакансии V _о [21, 22], что приводит к еще меньшей области обеднения ZnO между металлом и n-Ge. Пока что в контактах металл / ZnO / n-Ge легирование ZnO V _о проводился путем отжига в атмосфере азота [16], что, однако, могло привести к взаимной диффузии ZnO и Ge во время отжига [23] и диффузии атомов легирующей примеси в n-Ge во время отжига [24, 25], вызывая ухудшение текущих характеристик устройства. Поскольку необходимо разработать низкотемпературный процесс осаждения и легирования ZnO.

В этой работе мы исследуем депиннинг уровня Ферми на границе раздела между металлом и n-Ge путем введения осажденного методом ALD ZnO IL. Изучено влияние обработки слоя ZnO плазмой аргона (Ar) на характеристики контактного сопротивления Al / ZnO / n-Ge.

Методы

Металлические контакты формировались как на слаболегированных, так и на сильнолегированных пластинах n-Ge (001). Легированные образцы Ge имеют концентрацию легирования около 3 × 10 ¹⁶ . см ⁻³ . Чтобы получить сильно легированный n-Ge, ион люминофора (P ⁺ ) имплант с дозой 1 × 10 ¹⁵ см ⁻² и энергия 30 кэВ была выполнена на n-Ge (001), после чего последовал быстрый термический отжиг при 600 ° C в течение 60 с. После очистки пластины с использованием нескольких циклов деионизованной воды и разбавленной HCl пластины Ge сразу загружали в камеру ALD (Beneq TSF-200) для осаждения ZnO, а затем наносили алюминиевые (Al) контакты напылением на Ge с использованием процесса отрыва. . Здесь использовались три толщины ZnO:1, 2 и 3 нм, что было подтверждено спектроскопической эллипсометрией (SE) (J. A. Woollam M2000). Во время осаждения ZnO диэтилцинк (DEZn) и деионизированная вода (H ₂ O) использовались в качестве прекурсоров Zn и O соответственно, а температура подложки поддерживалась 150 ° C, чтобы исключить образование GeO _x . Подробный процесс осаждения ZnO с использованием ALD был описан в наших предыдущих работах в исх. [26, 27]. Для дальнейшего улучшения проводимости пленки ZnO некоторые образцы ZnO на Ge обрабатывали плазмой аргона (Ar). Также был изготовлен контрольный образец Al / n-Ge без ZnO IL. R _c Al на ZnO / Ge был извлечен с использованием метода круговой линии передачи (CTLM), который был сформирован отрывом. Открытый ZnO был полностью травлен плазменным травлением, чтобы гарантировать полную изоляцию между соседними устройствами [16].

Keithley 4200 SCS использовался для измерения электрических характеристик контрактов Al / ZnO / n-Ge и структур CTLM, просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения (HRTEM) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) использовались для определения микроструктуры и границы раздела фаз. свойств образцов, и спектрофотометр UV-VIS (LAMBDA 950, PerkinElmer) был использован для определения ширины запрещенной зоны E _g наплавленной пленки ZnO.

Результаты и обсуждение

Характеристика материалов Al / ZnO / n-Ge

XPS-спектры валентной зоны Ge / ZnO и спектр пропускания ZnO представлены на рис. 1 и 2, соответственно, которые были использованы для исследования механизма эффекта депиннинга уровня Ферми на границе раздела Al / ZnO / n-Ge. Мы провели измерения XPS для толстого образца ZnO, образца интерфейса ZnO / n-Ge и образца чистого Ge, чтобы получить смещение валентной зоны (VBO) ZnO / Ge, как показано на рис. 1. Zn 2 р Положение пика и VBM для толстого образца ZnO составляют 1021,9 эВ и 2,59 эВ соответственно. Zn 2 p и Ge 3 d Положение пика для образца интерфейса ZnO / Ge составляет 1021,7 и 29,1 эВ соответственно. Ge 3 d положение пика и VBM для образца чистого Ge составляют 29 эВ и 0,06 эВ соответственно. Это указывает на то, что VBO ZnO / Ge составляет 2,33 эВ [30].

XPS-спектры валентных зон образца ZnO / Ge. а Zn 2 p и b Спектры валентной зоны толстого образца ZnO c ZnO 2 p и d Ge 3 d спектры образца интерфейса ZnO / Ge и e Ge 3 d и е спектры валентной зоны объемного образца Ge

а Спектр пропускания для осажденной пленки ZnO, демонстрирующий E _g 3,21 эВ. б Регулировка полосы для контакта Al / ZnO / Ge

На рис. 2а показан график пропускания, полученный с помощью УФ-видимой спектроскопии для толстого образца ZnO, а E _g ZnO определено равным 3,21 эВ, что согласуется со значениями, приведенными в [28, 29]. Используя полученное E _g ZnO и VBO выше, CBO 0,22 эВ между ZnO и Ge определяется, как показано на рис. 2b. Это указывает на то, что депиннинг на уровне Ферми может быть достигнут на границе раздела Al / n-Ge с использованием слоя вставки ZnO, который может давать низкий R _c для контакта Al / ZnO / n-Ge.

На рис. 3 показано ПЭМ-изображение структуры Al / ZnO / n-Ge с толщиной ZnO 3 нм. Между Al и n-Ge наблюдается однородный и конформный слой ZnO. На вставке в правом верхнем углу показано изображение HRTEM увеличенного изображения интерфейса Al / ZnO / n-Ge. Измеренная толщина пленки ZnO составляет 3 нм, что согласуется с результатом, полученным методом SE, и пленка ZnO находится в аморфной форме.

ПЭМ-изображение образца Al / ZnO / n-Ge, показывающее однородный слой ZnO между Al и Ge. Верхняя правая вставка показывает HRTEM-изображение интерфейса Al / ZnO / n-Ge, а верхняя левая вставка показывает XPS Ge 3 d результат образца, демонстрирующий существование GeO _x межфазный слой

Тонкий GeO _x Между Ge и ZnO образуется межфазный слой, который намного меньше по сравнению с [31] из-за более низкой температуры осаждения, используемой в данной работе. Это связано с тем, что во время осаждения ZnO Ge реагирует с прекурсором O, что приводит к образованию GeO _x IL. Гео _x также демонстрируется XPS Ge 3 d в результате появится вставка в верхнем левом углу.

Электропроводность пленки ZnO может быть улучшена обработкой Ar плазмой, что приводит к увеличению концентрации кислородных вакансий V _о , выступающие донорами в ZnO [32, 33]. На рисунке 4 показаны результаты XPS за O 1 s для ZnO после осаждения и образца с обработкой плазмой Ar мощностью 50 Вт, потоком газа Ar 60 sccm и продолжительностью 45 с. О 1 s пик деконволюции на два пика с использованием гауссовой аппроксимации. Пик при ~ 530 эВ соответствует решеточному кислороду ZnO [34, 35]. Для образца после осаждения пик при 531,7 эВ соответствует V _о (~ 531,5 эВ) и хемосорбированный кислород на поверхности тонких пленок ZnO, например карбонильные и гидроксильные группы [35, 37]. Для образца с обработкой плазмой Ar пик находится при ~ 531,5 эВ, который смещается в сторону более низкой энергии связи и становится намного более выраженным по сравнению с образцом после осаждения, указывая на то, что больше V _о образуются в результате обработки плазмой Ar, и хемосорбированный кислород эффективно удаляется. Увеличение примесей n-типа в ZnO приводит к более тонкому туннельному барьеру и более низкому последовательному сопротивлению на границе раздела, что отвечает за уменьшение R _c [36].

Результаты XPS O 1 s и результаты деконволюции для образцов ZnO (3 нм) / n-Ge после осаждения (вверху) и после обработки плазмой Ar (внизу)

Мы провели измерения XPS с использованием толстого образца ZnO и образца интерфейса ZnO / Ge с обработкой плазмой Ar и без нее, как показано на рис. 5. Мы обнаружили, что после обработки плазмой Ar произошел сдвиг на 0,05 эВ. Это может указывать на то, что VBO ZnO / Ge составляет около 2,38 эВ после обработки Ar плазмой, а CBO - 0,17 эВ.

VBM для образца интерфейса ZnO / Ge с обработкой плазмой Ar и без нее. а Zn 2 p и b Спектры валентной зоны толстого образца ZnO c ZnO 2 p спектры образца интерфейса ZnO / Ge. г Диаграмма выравнивания полос для металла, подвергнутого плазменной обработке Ar / ZnO / n-Ge

Электрические характеристики контактов Al / ZnO / n-Ge

На рисунке 6а показана измеренная плотность тока Дж . как функция приложенного напряжения В характеристики Al-контактов на слаболегированном n-Ge. Al / ZnO / n ^- -Ge устройства имеют разную толщину слоя ZnO. Схема устройства представлена ​​на вставке к рис. 6.

а Дж - V характеристики для Al / n ^- -Ge контроль, Al / ZnO / n ^- -Ge с толщиной ZnO 1 нм, 2 нм и 3 нм, и ZnO / Ge, обработанный плазмой Al / 2 нм Ar, b Дж -V характеристики для трех устройств ZnO / Ge с плазменной обработкой Al / 2 нм Ar

Как и предполагалось, устройство управления Al / n-Ge без ZnO демонстрирует выпрямляющие характеристики с высокой высотой барьера для электронов из-за пиннинга уровня Ферми при Al / n ^- -Ge [38]. По сравнению с контрольным образцом Al / n-Ge без ZnO, устройства Al / ZnO / n-Ge демонстрируют улучшенный обратный J , который происходит из-за депиннинга уровня Ферми, вызванного уменьшением индуцированных металлом щелевых состояний (MIGS) на границе раздела металл / Ge [18,19]. Это улучшение усиливается при использовании более толстого ZnO, что связано с тем, что удаляется больше MIGS. Но плотность прямого тока для вставленного устройства из ZnO 3 нм меньше, чем у устройства 2 нм. Это можно объяснить следующим образом. Основная плотность тока для Al / ZnO / n-Ge - это туннельный ток. Если ZnO недостаточно толстый, MIGS не будет эффективно устранен, и он все равно будет показывать выпрямляющие свойства. Но если ZnO слишком толстый, последовательное сопротивление ZnO будет преобладать над всем сопротивлением, и ток станет меньше. Таким образом, существует компромисс между устранением MIGS и увеличением последовательного сопротивления ZnO, и, таким образом, существует критическая толщина для IL [19]. В заключение, оптимальной толщиной контакта Al / ZnO / n-Ge считается 2 нм.

При обработке плазмой Ar производительность Al / ZnO / n ^- -Ge устройство доработано. Независимо от обратного или прямого качания приложенного напряжения В , Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge устройство с плазменной обработкой Ar обеспечивает повышенную J по сравнению с устройством с 2 нм ZnO или 3 нм ZnO, что связано с большим количеством V _о образуются в пленке ZnO во время плазменной обработки Ar. Более высокая концентрация легирования в ZnO может эффективно снизить последовательное сопротивление ZnO и уменьшить туннельный барьер для электронов на границе раздела между ZnO и Al, улучшая плотность туннельного тока.

На рисунке 6b показан J . - V характеристики для трех Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge устройство с плазменной обработкой Ar. Понятно, что J для разных устройств примерно одинаково, что указывает на то, что как процесс ALD, так и плазменная обработка Ar оказывают одинаковое влияние на улучшение плотности тока.

Омические контакты получены для Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge без и с различной продолжительностью обработки плазмой Ar:15 с, 30 с, 45 с и 60 с, соответственно, которые показаны на рис. 7.

Я - V кривые при Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge с разными d а без обработки плазмой аргона и с обработкой плазмой аргона продолжительность b 15 с, c 30 с, д 45 с, и e 60 с

Необработанное полное сопротивление R _малыш между двумя контактами уменьшается с уменьшением d , и последний R _малыш модифицируется поправочным коэффициентом C, который рассчитывается по формуле C =( L / d ) · Ln (1 + d / L ) [39], где L =25 мкм представляет радиус внутренней подушки, как показано на вставке на рис. 8а. Построив R _малыш как функция от d на рис. 8а сопротивление листа R _sh из n ^- -Ge можно получить из наклона прямой, а затем ρ _c вычисляется от пересечения прямой аппроксимирующей линии с вертикальной осью. Для Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge устройство без обработки Ar плазмой, ρ _c равно 6,87 × 10 ⁻² Ом см ² , но после 45 с плазменной обработки Ar наблюдается уменьшение в 17,2 раза по сравнению с обработкой без обработки плазмой Ar, и имеет контактное сопротивление ρ _c из 3,66 × 10 ⁻³ Ом см ² . Сравниваем значения ρ _c для Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge-устройства с различной продолжительностью обработки Ar-плазмой на рис. 8б. Замечено, что ρ _c аппарата уменьшается со временем обработки до 30 с. Однако, поскольку время обработки превышает 30 с, ρ _c почти остается прежним. Уменьшение ρ _c может быть объяснено легированием ZnO, таким образом, уменьшением туннельного барьера и последовательного сопротивления, как упоминалось ранее. Но нет заметного изменения сопротивления листа на n ^- -Ge, что указывает на отсутствие влияния на проводимость n ^- -Ge с обработкой Ar плазмой.

а R _малыш по сравнению с d кривые для CTLM с Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge-контакты с различной продолжительностью плазменной обработки Ar, вставка на рис. 5а - информация о структуре CTLM, использованной в данной работе. б ρ _c по сравнению с различной продолжительностью обработки аргоном в плазме

Структура CTLM с контактами Al на сильно легированном Ge используется для исследования контактного сопротивления, характерного для Al / 2 нм ZnO / n ⁺ -Ge. Слой ZnO подвергался обработке Ar плазмой в течение 45 с. На рисунке 9а показано измеренное значение I - V кривые между контактами Al с разными d , показывающий отличные омические характеристики. На рисунке 9b показан график R _малыш как функция от d для Al / 2 нм ZnO / n ⁺ -Ge CTLM и R _sh и ρ _c извлекаются как 64 Ом / □ и 2,86 × 10 ⁻⁵ Ом см ² соответственно.

а Я - V кривые при Al / ZnO (2 нм) / n ⁺ -Ge с разными d с ZnO, обработанным плазмой Ar. б R _малыш по сравнению с d кривые для CTLM с Al / ZnO (2 нм) / n ⁺ -Ge контакты

Сравниваем ρ _c ZnO, обработанного Ar плазмой Al / ZnO / n ⁺ -Ge устройства в этой работе с теми, о которых сообщается в литературе, как показано на рис. 10. Для сильно легированных n ⁺ -Ge контактный образец, Al / ZnO / n ⁺ -Ge контакты показаны меньшие ρ _c по сравнению с Ni / GeSn [40, 41], Ni / Ge [42], Ti / n ⁺ -Ge в исх. [31], и Ti / TiO ₂ / GeO ₂ / Ge [31], имплантированный углеродом Ni / Ge [42] и Ti / n ⁺ -SiGe / n-Ge [43]. Металлические омические контакты, такие как Ni / Ge, Ni / GeSn, Ti / Ge и имплантированный углеродом Ni / Ge, страдают от сильного закрепления на уровне Ферми, что приводит к большому ρ _c . Для Ti / TiO ₂ / GeO ₂ / Ge, большое туннельное сопротивление создавал бислой 1 нм TiO ₂ /1,5 нм GeO ₂ ИЛ, ухудшающие характеристики контактного сопротивления. Но ρ _c в этой работе больше, чем в исх. [44]. Мы предполагаем, что это может быть связано с четырехкратным увеличением P ⁺ доза имплантации, чем в нашей работе. Более высокая доза имплантации обеспечит более сильное легирование поверхности n ⁺ -Ge, что приводит к более тонкому барьеру Шоттки и меньшему ρ _c . Мы полагаем, что при более сильном допировании n ⁺ -Ge в Al / ZnO / n ⁺ -Ge устройства, меньше ρ _c приведет к.

Сравнение ρ _c из Al / ZnO / n ⁺ -В этой работе используйте P ⁺ для других контактов, о которых сообщили доза имплантации как x ось

Выводы

Исследован эффект депиннинга уровня Ферми, индуцированный ИЖ ZnO в структурах Al / ZnO / n-Ge. Измерение XPS продемонстрировало небольшой CBO 0,22 эВ на ZnO / n-Ge, то есть происходит устранение FLP, что приводит к омическим металлическим контактам на n-Ge. Также сообщается, что обработка ZnO плазмой Ar приводит к увеличению концентрации V _о , действуя как легирующие примеси n-типа в ZnO, что улучшает R _c производительность в устройствах Al / ZnO / n-Ge. Омические металлические контакты получаются на n ^- и n ⁺ -Ge с обработанным плазмой Ar ZnO IL. На основе структур CTLM значения ρ _c 3,66 × 10 ⁻³ Ом см ² и 2,86 × 10 ^{- 5} Ом см ² достигаются в Al / 2 нм ZnO / n ^- -Ge и Al / 2 нм ZnO / n ⁺ -Ge, соответственно, с обработкой ZnO Ar-плазмой при мощности 50 Вт в течение 45 с.

Сокращения

Al:

Алюминий

ALD:

Осаждение атомного слоя

Ar:

Аргон

CBO:

Смещение зоны проводимости

CTLM:

Метод круговой линии передачи

DEZn:

Диэтилцинк

E _g :

Ширина запрещенной зоны

FLP:

Пиннинг на уровне Ферми

Ge:

Германий

GeO _x :

Оксид германия

GeSn:

Германий олово

HCl:

Соляная кислота

HRTEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

IL:

Межфазный слой

MIGS:

Щелочные состояния, индуцированные металлами

МОП-транзисторы:

Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник

Ни:

Никель

P ⁺ :

Ион фосфора

R _c :

Контактное сопротивление

R _малыш :

Грубое общее сопротивление

SE:

Спектроскопическая эллипсометрия

Si:

Кремний

Ti:

Титан

TiO ₂ :

Диоксид титана

UV-VIS:

Ультрафиолет - видимый

VBO:

Смещение полосы валентности

V _о :

Кислородная вакансия

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ZnO:

Оксид цинка

ρ _c :

Удельное контактное сопротивление