Высокомобильные Ge p-MOSFET с пассивацией аморфным кремнием: эффекты ориентации поверхности

Аннотация

Мы демонстрируем, что пассивация аморфным кремнием (a-Si), осажденным магнетронным спуттерингом при комнатной температуре, дает Ge p-MOSFET с рекордной эффективной дырковой подвижностью на (001)-ориентированных подложках. С 0,9-нм a-Si капом, (001) устройства доставляют пиковую μeff 278 см²/В·с — почти в три раза выше универсальной подвижности Si — при сохранении низкого субпорогового наклона и утечки. Устройства на (011) и (111) ориентациях показывают более низкую подвижность и более высокую плотность интерфейсных состояний, подчеркивая важность кристаллической ориентации в проектировании Ge-MOSFET.

Введение

Германий предлагает более высокую дырковую подвижность и более низкий тепловой бюджет, чем кремний, делая его привлекательным для next-generation CMOS и тонкопленочных транзисторов. Реализация этого потенциала требует интерфейса с минимальной дефектной плотностью. Аморфные-Si капсы стали ведущей стратегией пассивации, так как они подавляют интерфейсные состояния, демонстрируют хорошую термическую стабильность и могут осаждаться при низкой температуре физическим испарением (PVD). В этой работе мы используем магнетронный спуттеринг для роста a-Si на Ge(001), Ge(011) и Ge(111) веферах, затем оцениваем полученную электрическую производительность.

Методы

Рисунок 1а показывает технологический процесс. После разбавленной HF (1:50) чистки, 0,5–0,9-нм a-Si слой спуттерится при 50 Вт 60–100 с. 5-нм HfO₂ гейтовый диэлектрик осаждается ALD (250 °C, TDMAHf/H₂O). 50-нм TaN гейтовый электрод спуттерится, паттернится и этчится. BF₂⁺ ионы (30 кэВ, 1×10¹⁵ см⁻²) имплантируются в источник/сток, за чем следует 15-нм Ni металлизация и 400 °C быстрый термический отжиг для активации. Рисунки 1b и 1c иллюстрируют поперечное сечение и верхний вид готового устройства.

Трансмиссионная электронная микроскопия (TEM) 0,5-нм и 0,9-нм a-Si стеков (Рис. 2) показывает, что более тонкий кап полностью окисляется, в то время как более толстый сохраняет два монослоя Si после отжига. Si/SiO₂ интерфейсный слой (IL) поэтому зависит от толщины a-Si.

Результаты и обсуждение

Рисунок 3a показывает Id-Vg и Ig-Vg кривые для (001), (011) и (111) устройств с 0,9-нм a-Si. Все устройства демонстрируют отличные передаточные характеристики (Lg = 3 мкм, W = 100 мкм, направление канала [110]). При Vg-Vth = -0,8 В, (001) транзистор выдает наивысший Ion (Рис. 3b), что атрибутируется его превосходной μeff. Статистический анализ (Рис. 4) подтверждает, что (001) устройства имеют наивысший Ion, наименьшую утечку, лучший субпороговый наклон (SS) и наиболее благоприятный Vth среди трех ориентаций.

Емкостно-напряженные измерения (Рис. 5) показывают почти идентичную инверсионную емкость (~1,56 мкФ/см²) для всех ориентаций, указывая на независимость скорости осадки a-Si от кристаллической грани. Полученная емкостная эффективная толщина (CET) составляет 2,2 нм. Небольшие сдвиги Vth согласуются с незначительными вариациями допинга по веферам.

Извлечение подвижности (Рис. 6) выявляет пиковую μeff 278 см²/В·с при Qin ≈ 3,5×10¹² см⁻² для (001) устройства — почти в три раза выше универсального значения Si. Более высокая μeff атрибутируется сниженной плотности интерфейсных состояний (Dit) а не шероховатости поверхности, которая сопоставима по ориентациям.

Рисунок 7 исследует влияние толщины a-Si на (111) устройства. Уменьшение tSi от 0,9 нм до 0,5 нм увеличивает Ion на 32% при Vds = -1,5 В и Vg-Vth = -0,8 В, но одновременно ухудшает SS и повышает утечку из-за более высокого Dit. Компромисс квантифицирован на Рис. 8: более тонкие капы дают более низкий CET и более высокий Cinv, усиливая драйв-ток, но более высокий Dit приводит к худшему SS и утечке.

Рисунок 9 показывает, что 0,5-нм кап дает наивысшую μeff (229 см²/В·с) при высоком Qin, но ценой увеличенного Dit. CET значения, извлеченные из Cinv-Vg (Рис. 9a), составляют 1,8, 1,9 и 2,2 нм для tSi = 0,5, 0,7 и 0,9 нм соответственно.

Бенчмаркинг против литературы (Рис. 10) подтверждает, что наша a-Si пассивация доставляет конкурентоспособную μeff, хотя дальнейшая оптимизация может сократить разрыв с Si₂H₆-базированными техниками.

Наконец, (001) устройства с более тонким a-Si (0,5 нм) показывают улучшенный Ion но слегка более высокую утечку по сравнению с 0,9-нм аналогом, иллюстрируя компромисс между CET и Dit.

Dit извлекали из SS измерений (Уравнение 1) и графировали против tSi для каждой ориентации (Рис. 12). Наименьшие значения Dit найдены для (001) устройств с 0,9 нм и для (111) устройств с 0,7 нм. Эта корреляция объясняет превосходный SS (001) устройств.

Заключение

Аморфная-Si пассивация магнетронным спуттерингом при комнатной температуре производит Ge p-MOSFET с высоким драйв-током и низкой утечкой, особенно на (001) подложках. 0,9-нм a-Si кап дает пиковую μeff 278 см²/В·с, 2,97× увеличение над Si, и отличный SS. Уменьшение толщины капа до 0,5 нм дальнейшим образом увеличивает Ion через более тонкий CET, но ценой увеличенного Dit, более высокой утечки и ухудшенного SS. Эти результаты демонстрируют, что и кристаллическая ориентация, и толщина a-Si должны быть оптимизированы для баланса драйв, утечки и качества интерфейса в Ge-базированных устройствах.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойное осаждение

BF₂⁺

Ион фторида бора

CET

Емкостная эффективная толщина

Ge

Германий

GeOₓ

Оксид германия

HF

Фтористоводородная кислота

HfO₂

Диоксид гафния

HRTEM

Высокоразрешающая трансмиссионная электронная микроскопия

IL

Интерфейсный слой

MOSFETs

Металл-оксид-полупроводник полевые транзисторы

Ni

Никель

Si

Кремний

SS

Субпороговый наклон

TaN

Нитрид тантала

TDMAHf

Тетракис(диметиламидо)гафний