Оптимизация производительности германиевых pMOSFET с диэлектриками ZrO₂: роль пост-металлической и пост-депозиционной термической обработки

Аннотация

Исследовано влияние пост-металлического отжига (PMA) и пост-депозиционного отжига (PDA) на электрические характеристики германиевых p-канальных MOSFET (pMOSFET) с ZrO₂ венечным диэлектриком. Устройства без PDA демонстрируют прогрессивное улучшение тока открытого состояния (I_ON), субпорогового наклона (SS) и эквивалентной емкостной толщины (CET) при повышении температуры PMA от 350 °C до 500 °C. Кристаллизация ZrO₂ при более высоких температурах PMA увеличивает его диэлектрическую проницаемость и снижает плотность интерфейсных состояний (D_it), что ведет к меньшему CET и более высокой эффективной подвижности дырок (μ_eff). Напротив, устройства с PDA при 400 °C достигают меньшего CET и более крутого SS, но их μ_eff ниже, чем у устройств без PDA.

Предыстория

Германий (Ge) все больше признается материалом с высокой подвижностью для p-канала в CMOS следующего поколения, предлагая подвижность дырок, значительно превышающую кремний. Для полного использования этого преимущества необходим венечный диэлектрик высокого качества и надежной пассивации поверхности для достижения высокой эффективной подвижности носителей (μ_eff) и токов управления в германиевых транзисторах. Несколько высокок диэлектриков — HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, Y₂O₃ — исследовались для снижения CET ниже 1 нм. Среди них ZrO₂ выделяется высокой диэлектрической постоянной (κ ≈ 28–30 в кристаллической фазе) и отличным интерфейсным качеством с Ge. Кристаллизация ZrO₂ показана снижающей CET и повышающей μ_eff, однако влияние разных отжигающих маршрутов на производительность устройств оставалось недостаточно изученным. Эта работа исследует, как PMA и PDA влияют на Ge pMOSFET с ZrO₂ диэлектриками, демонстрируя, что более высокие температуры PMA заметно улучшают μ_eff и снижают CET.

Методы

Технологический процесс Ge pMOSFET с ZrO₂ изображен на рис. 1a. Устройства выращивали на n-типе Ge(001) подложках (0.088–0.14 Ом·см). После последовательной очистки HF (1:50) и промывки DI, подложки загружали в ALD камеру. Шаг озонной пост-оксидации (OPO) — осадка 1-нм слоя Al₂O₃ при 300 °C с последующей 15-минутной in-situ OPO — обеспечивал пассивацию поверхности. Далее осаждали 5-нм слой ZrO₂ при 250 °C предшественниками TDMAZr и H₂O, с нагревом Zr-источника до 85 °C. Избирательные образцы проходили PDA при 400 °C 60 с в установке быстрого термического отжига (пластина II); остальные служили группой без PDA (пластина I). 100-нм венечный TaN напыляли, структурировали и этравили. Источники/стоки формировали имплантацией BF₂⁺ (30 кэВ, 1×10¹⁵ см⁻²), затем 15-нм Ni контактами через lift-off. Финальный PMA проводили при 350, 400, 450 и 500 °C на 30 с для активации примесей и завершения металлизации.

Рисунок 1b показывает SEM-вид типичного устройства, рис. 1c — XTEM поперечное сечение, выделяющее венечный стек, диэлектрик и области источника/стока. Рисунки 1d и 1e демонстрируют, что ZrO₂ полностью кристаллизован после PMA при 500 °C, с толщиной интерфейсного Al₂O₃ ≈ 0.7 нм.

Результаты и обсуждение

Рисунок 2 показывает инверсионную емкость (C_inv) в зависимости от венечного напряжения (V_GS) при 300 кГц для устройств на пластине I. Извлеченные CET: 1.95, 1.80, 1.67 и 1.52 нм для PMA 350, 400, 450 и 500 °C соответственно. Снижение CET при более высоком PMA атрибутируется кристаллизации ZrO₂, повышающей κ с ~20–23 (аморфное) до ~28–30 (кристаллическое) и снижающей объемную плотность ловушек. Сдвиг C-V кривых подтверждает улучшение качества диэлектрика.

Рисунок 3a представляет передаточные характеристики и венечный утеточный ток (I_G) для устройств на пластине I. Все транзисторы имеют L_G = 4 мкм и W = 100 мкм. Венечная утечка остается ниже дренного тока при всех температурах PMA. Особенно, устройство, отожженное при 500 °C, достигает отношения I_ON/I_OFF > 10⁴. Рисунок 3b показывает I_D–V_DS кривые при разных надпорогах (|V_GS – V_TH|). По сравнению с 350 °C, устройство 500 °C демонстрирует на 47% и 118% более высокие токи управления при V_DS = –1.0 В и |V_GS – V_TH| = 0.8 В соответственно. Рисунок 3c суммирует статистику I_ON при V_DS = –0.5 В и |V_GS – V_TH| = –1 В, подтверждая, что 500 °C отжиг дает превосходную открытую характеристику благодаря сниженному активному сопротивлению источника/стока, меньшему CET и более высокой μ_eff.

Рисунок 4 представляет статистические графики среднезонного D_it, SS и V_TH для разных температур PMA. Извлеченные D_it (методом максимальной проводимости): 1.3×10¹³, 9.5×10¹², 9.2×10¹² и 6.3×10¹² см⁻² эВ⁻¹ для 350, 400, 450 и 500 °C. Устройство 500 °C демонстрирует самый крутой SS благодаря наименьшему D_it и CET. Хотя D_it и SS остаются выше лучших результатов по Ge транзисторам, дальнейшая оптимизация OPO процесса (толщина Al₂O₃, температура окисления, длительность) может дать дополнительные улучшения. V_TH положительно сдвигается с ростом температуры PMA, отражая снижение CET и D_it. В целом, оптимальная электрическая производительность достигается при PMA 500 °C.

Эффективная подвижность дырок (μ_eff) извлекают методом ΔR_tot/ΔL_G по устройствам с L_G 1.5–9 мкм. Рисунок 5a показывает R_tot vs L_G при |V_GS – V_TH| = –1 В и V_DS = –0.05 В; соответствующие R_SD: 7.85, 7.15, 6.10 и 4.35 кОм·мкм для 350, 400, 450 и 500 °C, указывая на улучшенную активацию примесей при более высоком PMA. Наклон ΔR_tot/ΔL_G минимален для 500 °C устройства, давая пиковую μ_eff 384 см²/В·с — на 31% выше, чем у 400 °C аналога. При высоких плотностях инверсионного заряда (Q_inv ≈ 1×10¹³ см⁻²) устройство 500 °C сохраняет превосходную подвижность. Кристаллический ZrO₂ снижает объемную плотность ловушек, минимизируя дистанционное кулоновское рассеяние, и более гладкий интерфейс ZrO₂/Ge уменьшает шероховатостное рассеяние, сдвигая пик подвижности к более высоким Q_inv.

Далее исследуем влияние PDA на характеристики устройств. Рисунок 6 сравнивает C_inv–V_GS для устройств на пластине I (без PDA) и пластине II (PDA при 400 °C), отожженных при 400 °C. Устройство с PDA демонстрирует заметно меньший CET (1.29 нм против 1.80 нм). Рисунок 7a показывает, что PDA увеличивает венечную утечку, вероятно из-за сниженного CET. Однако устройство без PDA выдает на 24% более высокий ток управления при том же надпороге (–0.8 В) в режиме насыщения, как показано на рис. 7b.

Рисунок 8 суммирует статистику D_it, SS и V_TH для устройств с и без PDA. Устройство с PDA показывает более низкий D_it и средний SS 142 мВ/дек, указывая на улучшенный ZrO₂/Ge интерфейс. V_TH отличается между группами, отражая вариации ловушечной плотности у зонного края.

Рисунок 9 показывает R_tot vs L_G для 400 °C PMA устройств. R_SD составляет 7.15 кОм·мкм (без PDA) и 7.30 кОм·мкм (с PDA). Устройство с PDA демонстрирует пиковую μ_eff 211 см²/В·с, ниже, чем 400 °C без PDA. Снижение подвижности атрибутируется усиленному дистанционному кулоновскому рассеянию от фиксированных зарядов в ZrO₂ диэлектрике.

Заключение

Мы систематически изучили влияние PMA и PDA на Ge pMOSFET с ZrO₂ диэлектриками. Кристаллизация венечного диэлектрика ZrO₂, достигнутая PMA при 500 °C, существенно снижает CET и повышает подвижность дырок — давая пиковую μ_eff 384 см²/В·с и усиленный ток управления. Хотя шаг PDA при 400 °C дополнительно снижает CET и D_it, он ухудшает подвижность и увеличивает утечку по сравнению с устройствами без PDA. Таким образом, высокотемпературный PMA без PDA — предпочтительный путь для оптимизации Ge pMOSFET.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы статьи, включены в публикацию.

Аббревиатуры

ALD:

Атомно-слойное осаждение

BF₂⁺:

Ион фторида бора

CET:

Эквивалентная емкостная толщина

Ge:

Германий

HF:

Фторидная кислота

HRTEM:

Высокоразрешающая проходная электронная микроскопия

IL:

Интерфейсный слой

MOSFETs:

МПП-транзисторы

Ni:

Никель

PDA:

Пост-депозиционный отжиг

PMA:

Пост-металлический отжиг

SS:

Субпороговый наклон

TaN:

Нитрид тантала

TDMAZr:

Тетракис(диметиламидо)цирконий

ZrO₂:

Диоксид циркония

μ_eff:

Эффективная подвижность носителей