Высокопроизводительные германиевые pMOSFET с пассивацией GeOₓ, индуцированной озоном: сравнительный анализ с плазменной пост-оксидацией

Аннотация

Мы сравниваем электрическую производительность германиевых pMOSFET, получающих слой пассивации GeO_x, сформированный либо озоновой пост-оксидацией (OPO), либо плазменной пост-оксидацией (PPO). Оба процесса применяются к подложке Al₂O₃/n-Ge (001), за которой следует 5-нм воротниковый диэлектрик HfO₂, осажденный in-situ методом ALD. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и передаточная электронная микроскопия (TEM) подтверждают, что PPO-обработка вводит положительное смещение порогового напряжения и более низкое отношение I_ON/I_OFF, указывая на деградированный интерфейс. Напротив, OPO дает четырехпорядковое увеличение отношения I_ON/I_OFF, более крутой субпороговый спад и превосходную подвижность носителей. Более толстый блокирующий слой Al₂O₃ в процессе OPO дополнительно повышает подвижность. В целом, OPO обеспечивает более эффективный путь к высококачественному Ge/оксид интерфейсу и улучшенной эффективной подвижности в Ge pMOSFET.

Введение

Конвенциональные CMOS-устройства приближаются к своим физическим пределам, затрудняя повышение производительности только за счет кремния. Германий, с его более высокой подвижностью носителей, стал перспективным материалом канала, но достижение низкой плотности интерфейсных состояний (D_it) остается проблемой из-за нестабильности GeO₂ и висячих связей. Исследуются многочисленные стратегии пассивации Ge/диэлектрик интерфейса, такие как предварительное осаждение кремниевых монослоев или инженерия самопассивации через намеренный рост GeO₂. Окислительные техники — включая высокодавленное окисление, озон, H₂O плазму и плазму электронно-циклотронного резонанса (ECR) — применялись для снижения D_it и повышения термической стабильности.

Недавние исследования продемонстрировали высокопроизводительные Ge MOSFET путем пост-оксидации через интерфейс Al₂O₃/Ge. Например, Ge CMOS инвертор на Ge-на-изоляторе (GeOI) использовал быструю термическую отжиг в чистом O₂ для роста GeO_x после слоя Al₂O₃ толщиной 1 нм. Озоновое окисление, более реактивное, чем O₂, позволяет рост при более низких температурах и показано улучшает контроль толщины GeO_x и производительность устройств. Однако систематического сравнения между озоновой и плазменной пост-оксидацией на том же интерфейсе Al₂O₃/n-Ge не было.

В этой работе мы изготавливаем Ge pMOSFET, используя как OPO, так и PPO на интерфейсах Al₂O₃/n-Ge и сравниваем их электрические характеристики. Все остальные технологические шаги идентичны. Влияние толщины блокирующего слоя Al₂O₃ и лежащие в основе механизмы деградации подвижности также исследуются. Наши результаты демонстрируют, что OPO является превосходным методом пассивации для будущей технологии Ge MOSFET.

Методы

Ge pMOSFET изготавливались на 4-дюймовых n-Ge (001) подложках (сопротивление 0,14–0,183 Ом·см). После очистки разбавленным HF (1:50), ~1 нм пленка Al₂O₃ осаждалась при 300 °C плазменно-усиленным ALD (PEALD) с использованием триметилалюминия (TMA) и H₂O. Тонкий интерфейсный слой Al₂O₃/GeO₂ (обозначаемый AlO_x/GeO_x) затем подвергался либо 60 с кислородной плазме (PPO) через удаленный плазменный источник, либо 20-минутной озоновой (OPO) обработке в смеси 50 % O₃/O₂. Немедленно после окисления 5-нм воротниковый диэлектрик HfO₂ осаждался при 300 °C методом ALD (60 циклов, с использованием TDMAHf и H₂O). 100-нм воротниковый металл TaN наносился спуттерированием, за которым следовали фотолитография и травление. Источник/сток области были само-выровненными имплантированными BF₂⁺ (20 кэВ, 1 × 10¹⁵ см⁻²), покрыты 20 нм Ni и активированы быстрой термической отжигой при 450 °C в течение 30 с.

a Технологический поток изготовления Ge pMOSFET с тремя методами пассивации. b Схема и c SEM-изображение изготовленного транзистора.

Поперечно-сеченные TEM-изображения раскрывают воротниковый стек TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge для PPO и OPO. В образце PPO выражен интерфейсный слой AlO_x/GeO_x, разделяющий HfO₂ от Ge, тогда как образец OPO показывает более диффузный интерфейс, согласуясь с литературными данными о толщине GeO₂.

Поперечно-сеченные TEM высокок/металл воротникового стека с (a) OPO-образованным и (b) PPO-образованным AlO_x/GeO_x интерфейсными слоями на n-Ge (001).

Результаты и обсуждение

Характеризация устройств проводилась системой Keithley 4200-SCS. Все транзисторы имеют длину затвора 3 мкм. Устройство PPO (подложка A) показывает более высокий насыщенный дренажный ток, но также более высокий ток в закрытом состоянии по сравнению с устройствами OPO (подложки B и C). Важно, что устройства OPO работают в режиме накопления, тогда как устройство PPO остается в режиме истощения, указывая на остаточный p-тип характер из-за более высокого D_it.

a I_DS–V_GS и b I_DS–V_DS для PPO (подложка A) и OPO (подложки B, C) Ge pMOSFET.

Статистический анализ отношения I_ON/I_OFF и субпорогового спада (SS) подтверждает, что устройства OPO достигают до четырех порядков более высокого I_ON/I_OFF и более крутого SS, отражая более чистый интерфейс. Увеличение толщины блокирующего слоя Al₂O₃ с 10 до 15 циклов улучшает ток в открытом состоянии, но снижает отношение I_ON/I_OFF из-за большего эквивалентного оксидного толщины (EOT).

Статистические графики a SS и b I_ON/I_OFF для устройств PPO против OPO.

XPS измерения на тестовых образцах (без HfO₂ и TaN) показывают, что PPO производит слой GeO_x, доминируемый видами Ge¹⁺ и Ge³⁺, в то время как OPO дает более высокую степень окисления распределения, уменьшая компоненту Ge¹⁺ и указывая на более полное формирование GeO₂.

a XPS спектры Ge 3d для Al₂O₃/GeO_x/Ge под PPO, OPO-10 и OPO-15 условиями. b Пиковая подгонка спектров Ge 3d.

C-V измерения затвор-источник при 1 МГц показывают, что процесс OPO приводит к более высокому EOT по сравнению с PPO, причем 15-цикловой OPO (подложка C) демонстрирует наибольший EOT. Это приписывается более толстому блокирующему слою Al₂O₃. Несмотря на более высокий EOT, устройства OPO сохраняют превосходный SS и подвижность.

C-V затвор-источник для устройств PPO (подложка A) и OPO (подложки B, C).

Анализ общего сопротивления (R_T) в зависимости от длины затвора указывает, что устройства PPO имеют более низкие последовательное и канальное сопротивления, согласуясь с C-V данными. Однако более высокие R_SD и R_CH для устройств OPO компенсируются улучшенной подвижностью.

R_T в зависимости от L_G для трех типов устройств.

Эффективная дырочная подвижность (μ_eff) извлекалась из наклона общего сопротивления. Устройства OPO демонстрируют более высокую пиковую μ_eff, чем PPO, причем подложка C (15-цикловой OPO) достигает 283 см²/В·с. По сравнению с литературой, это представляет 2,37-кратное улучшение по сравнению с универсальной подвижностью кремния при плотности инверсионного заряда 5 × 10¹² см⁻². Преимущество в подвижности приписывается снижению кулоновского рассеяния и лучшему качеству интерфейса.

μ_eff в зависимости от Q_inv для устройств PPO и OPO. 15-цикловой OPO (подложка C) достигает пиковой μ_eff 283 см²/В·с.

Заключение

Мы продемонстрировали, что Ge pMOSFET с пассивацией GeO_x, изготовленные через озоновую пост-оксидацию, превосходят те, что используют плазменную пост-оксидацию. OPO дает более высокие отношения I_ON/I_OFF, более крутые субпороговые спады и превосходную пиковую μ_eff. Увеличение толщины блокирующего слоя Al₂O₃ в процессе OPO улучшает подвижность ценой большего EOT. Эти выводы подтверждают, что OPO является эффективной стратегией пассивации для высококачественных Ge/оксид интерфейсов, делая его перспективным кандидатом для технологий Ge MOSFET следующего поколения.

Аббревиатуры

Al₂O₃:

Оксид алюминия

ALD:

Атомно-слойное осаждение

BF₂⁺:

Ион фторида бора

EOT:

Эквивалентная оксидная толщина

Ge:

Германий

GeO_x:

Оксид германия

HF:

Фтористоводородная кислота

HfO₂:

Диоксид гафния

TEM:

Передаточный электронный микроскоп

MOSFETs:

МОП-транзисторы

OPO:

Озоновая пост-оксидация

PPO:

Плазменная пост-оксидация

Q_inv:

Плотность инверсионного заряда

SS:

Субпороговый спад

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

μ_eff:

Эффективная дырочная подвижность