Высокомобильные Ge nMOSFET с ZrO₂ шлюзовым диэлектриком

Аннотация

Демонстрированы высокомобильные Ge nMOSFET с ZrO₂ шлюзовым диэлектриком и сравнены с транзисторами с разными интерфейсными свойствами: озоновым (O₃) претратментом, O₃ пост-тратментом и без O₃ обработки. Обнаружено, что с O₃ претратментом Ge nMOSFET с ZrO₂ диэлектриком EOT 0,83 нм достигает пиковой эффективной подвижности электронов (μ_eff) 682 см²/В·с, что выше универсальной подвижности Si при средней плотности инверсионного заряда (Q_inv). С другой стороны, O₃ пост-тратмент со слоем Al₂O₃ обеспечивает драматически улучшенную μ_eff, достигая ~50% улучшения по сравнению с универсальной подвижностью Si при среднем Q_inv 5×10¹² см⁻². Эти результаты указывают на потенциал использования ZrO₂ диэлектрика в высокопроизводительных Ge nMOSFET.

Введение

Германий (Ge) обладает преимуществами более высокой подвижности носителей и более низкой температуры обработки по сравнению с Si, что делает его альтернативой для ультрамасштабируемых CMOS логических устройств и тонкопленочных транзисторов (TFT) как верхнего слоя в 3D интегральных схемах [1-3]. В последние годы большие усилия сосредоточены на пассивации поверхности, шлюзовом диэлектрике и инженерии канала для Ge p-канальных MOSFET, что привело к значительному улучшению p-канальных устройств.

Но для Ge n-канальных MOSFET низкая эффективная подвижность носителей (μ_eff), вызванная плохим интерфейсным слоем шлюзового стека, сильно ограничивает производительность. Различные техники пассивации поверхности: Si пассивация [1], плазменная пост-оксидация [4], InAlP пассивация [5] и несколько высокок диэлектриков: HfO₂, ZrO₂ [6-8], Y₂O₃ [9], La₂O₃ [10] изучались для усиления электронной μ_eff в Ge nMOSFET. Показано, что ZrO₂ диэлектрик, интегрированный с Ge каналом, обеспечивает надежный интерфейс, так как GeO₂ интерфейсный слой может реагировать и перемешиваться со ZrO₂ [7]. Пристойная дырочная μ_eff сообщалась для Ge p-канальных транзисторов [6-8], в то время как для n-канальных аналогов все еще много места для улучшения электронной μ_eff.

В данной работе Ge nMOSFET с ZrO₂ шлюзовым диэлектриком изготовлены для достижения улучшенной μ_eff над Si во всем диапазоне Q_inv. Ge транзисторы достигают 50% улучшения электронной μ_eff по сравнению с универсальной подвижностью Si при среднем Q_inv 5,0×10¹² см⁻².

Экспериментальная часть

Ключевые этапы процесса изготовления Ge nMOSFET на 4-дюймовых p-Ge(001) подложках с удельным сопротивлением 0,136–0,182 Ом·см показаны на Рис. 1a. Области сток/исток (S/D) имплантировались фосфором дозой 1×10¹⁵ см⁻² энергией 30 кэВ с последующим отжигом активации легирования при 600 °C. После предварительной очистки перед шлюзом, подложки Ge загружали в камеру атомно-слоевого осаждения (ALD) для формирования шлюзового диэлектрика: Al₂O₃/O₃ оксидация/ZrO₂, ZrO₂, или O₃ оксидация/ZrO₂ для подложек A, B, C соответственно. Для подложки A 0,9 нм Al₂O₃ использовался для защиты поверхности канала при O₃ оксидации. O₃ оксидация проводилась при 300 °C 15 мин для подложек A и C. Для всех подложек толщина ZrO₂ ~3,3 нм. Затем TiN (100 нм) шлюзовой металл осаждался реактивным спуттерингом, фотолитография и РИЭ формировали шлюзовой электрод. После этого 25 нм Ni осаждали в областях S/D. Наконец, пост-металлизационный отжиг (PMA) при 350 °C 30 с для формирования Ni германида и улучшения качества интерфейса. Схема и микроскопическое изображение изготовленного транзистора на Рис. 1b, c.

a Ключевые этапы изготовления Ge nMOSFET. b Поперечная схема и c микроскопическое изображение устройств

Рис. 2a, b — HRTEM изображения шлюзовых стеков на подложках A и B. Унифицированная толщина интерфейсного слоя Al₂O₃/GeOₓ для подложки A ~1,2 нм, указывая на 0,2–0,3 нм GeOₓ. Для устройства на подложке B экспериментально показан ультратонкий GeOₓ IL [7].

HRTEM изображения a TiN//ZrO₂/Al₂O₃/GeOₓ/Ge, b TiN/ZrO₂/GeOₓ/Ge стеков для устройств на подложках A и B

Результаты и обсуждение

Измеренные емкость (C) и ток утечки (J) для Ge MOS конденсаторов на подложках A, B, C показаны на Рис. 3a, b. Эквивалентная толщина оксида (EOT) для подложек A, B, C извлечена: 1,79, 0,59, 0,83 нм соответственно. Предполагая, что GeOₓ IL дает дополнительный EOT ~0,25 нм для A и C (сравнивая B и C), 3,3 нм ZrO₂ вносит EOT ~0,6 нм с κ ~21,8, согласуется с ранее сообщаемым аморфным ZrO₂ [11]. Эти результаты подтверждают, что толщина GeOₓ IL на подложке B пренебрежимо мала.

a C(V) характеристики Ge pMOS конденсаторов на подложках A, B, C. b J-V кривые. c Бенчмаркинг J (при V_FB ± 1 В) Ge MOS конденсаторов этой работы против литературы

GeOₓ/Al₂O₃ IL для подложки A и GeOₓ IL для подложки C дают EOT ~1,2 и ~0,25 нм. EOT можно снизить уменьшением толщины IL или улучшением качества интерфейса, повышением диэлектрической проницаемости ZrO₂ пассивацией поверхности, например NH₃/H₂ плазмой [6]. Рис. 3c сравнивает J vs EOT для Ge nMOSFET этой работы с другими отчетами [5, 12-17]. Результаты согласуются с трендом ультразтонких EOT, указывая, что разница в токе утечки на Рис. 3b בעיקר обусловлена разницей EOT.

Рис. 4a показывает измеренные дреновый ток (I_D) и истоковый ток (I_S) vs шлюзовое напряжение (V_GS) для Ge nMOSFET с подложек A, B, C. Все транзисторы имеют длину шлюза L_G 4 мкм и ширину W 100 мкм. Точечный субпороговый сдвиг (SS), dV_G/d(log I_D), как функция I_D рассчитан и показан на Рис. 4b. Транзистор на подложке A показывает деградированный I_D leakage floor и SS по сравнению с B и C. Помимо увеличения EOT на подложке A, повышающего SS, это частично объясняется более высокой плотностью интерфейсных ловушек (D_it) в запрещенной зоне Ge канала для устройства со вставленным Al₂O₃ по сравнению с B и C.

a I_D и I_S vs V_GS для Ge nMOSFET на A, B, C. b Точечный SS vs I_D. c I_D-V_D характеристики: Ge nMOSFET на A имеет более высокий драйв ток по сравнению с B и C

Рис. 4c — выходные характеристики I_D-V_D для различных значений переоткрытия |V_G−V_TH|, показывающие, что Ge транзистор на подложке A достигает значительно улучшенного драйв тока. Здесь V_TH определен как V_GS при I_D = 10⁻⁷ А/мкм. Учитывая идентичные условия S/D формирования, повышенный I_DS для транзисторов на подложке A указывает на более высокую μ_eff [18-21]. Слой Al₂O₃ не привел к деградации D_it производительности близости зоны проводимости Ge канала.

Рис. 5a — полное сопротивление R_tot как функция L_G для Ge nMOSFET с ZrO₂ диэлектриком при L_G 2–10 мкм. Значения R_tot извлечены при переоткрытии 0,6 В и V_D 0,05 В. Сопротивление S/D R_SD извлечено ~13,5 кОм·мкм по пересечению аппроксимирующих линий с ординатой. Схожее R_SD согласуется с идентичным процессом PMA и S/D формирования. Канальное сопротивление R_CH получено из наклона линий ΔR_tot/ΔL_G, используется для расчета μ_eff характеристик. Для оценки качества интерфейса D_it извлекались по методу Хилла [17]:

D_it = (2 G_m,max / ω) / {q A [(G_m,max / ω C_ox) + (1 − C_m/C_ox)²]}

где q — заряд электрона, A — площадь конденсатора, G_m,max — макс. измеренная проводимость с соответствующей емкостью C_m, ω — угловая частота, C_ox — емкость шлюзового оксида. D_it рассчитаны: 3,7, 3,2, 2,3×10¹² эВ⁻¹см⁻² для подложек A, B, C соответственно.

Известно, что расчетные значения соответствуют midgap D_it. Устройство с Al₂O₃ IL на подложке A имеет более высокий midgap D_it по сравнению с B и C. Это согласуется с Рис. 3a и 4a, более высокий midgap D_it дает большую дисперсию емкости истощения в подложке A, вызывая более высокий ток утечки I_DS по сравнению с другими. Примечание: подложка A должна иметь более низкий D_it у зоны проводимости из-за более высокой μ_eff над B и C.

a R_tot vs L_G для Ge nMOSFET на A, B, C. Аппроксимация для извлечения R_SD и R_CH. b μ_eff для Ge nMOSFET этой работы vs ранее опубликованные результаты для напряженных Ge транзисторов. Устройства на подложке A показывают улучшенную μ_eff над универсальной подвижностью Si во всем диапазоне Q_inv

Известно, что μ_eff — узкое место для высокого драйв тока и транскондуктанса в Ge nMOSFET. Здесь μ_eff рассчитывается как μ_eff = 1/[W Q_inv (ΔR_tot/ΔL_G)], где ΔR_tot/ΔL_G — наклон R_tot vs L_G (Рис. 5a). Q_inv получается интегрированием измеренных C_inv-V_G кривых. На Рис. 5b сравнивается μ_eff vs Q_inv для Ge nMOSFET на подложках A, B, C с ранее опубликованными [18, 22-25]. Пиковые μ_eff: подложка A — 795, C — 682, B — 433 см²/В·с. Ge nMOSFET с Al₂O₃ IL достигают значительно улучшенной μ_eff по сравнению с транзисторами на B или C, работами [18, 22-25] в высоком поле, и универсальной подвижностью Si во всем диапазоне Q_inv. При Q_inv 5×10¹² см⁻² достигнуто 50% улучшение μ_eff на подложке A относительно универсальной подвижности Si. Это демонстрирует, что защита поверхности канала для предотвращения перемешивания ZrO₂ и GeOₓ с помощью Al₂O₃ реализует высококачественный интерфейс между шлюзовым изолятором и Ge, усиливающий подвижность, что также сообщалось в предыдущих исследованиях Ge MOSFET с ультразтонким EOT [26]. μ_eff в транзисторах на подложке C выше универсальной Si при Q_inv 2,5×10¹² см⁻², но быстро падает с ростом Q_inv. Это указывает, что O₃ оксидация перед ZrO₂ осаждением улучшает интерфейсное качество до некоторой степени; однако не обеспечивает достаточно ровную поверхность канала для эффективного подавления рассеяния на шероховатостях при высоком Q_inv из-за перемешивания ZrO₂ и GeOₓ, так как сообщается, что генерация кислородных вакансий при перемешивании увеличивает краткоупорядоченную шероховатость (SRO) [27]. Оптимизация O₃ оксидации или уменьшение толщины Al₂O₃ IL может позволить Ge транзистору достичь сниженного EOT сохраняя высокую μ_eff при высоком Q_inv.

Заключение

Исследовано влияние структуры и морфологии шлюзового диэлектрика на электрические характеристики Ge nMOSFET. Шлюзовой диэлектрик Al₂O₃/ZrO₂ обеспечивает значительно улучшенную μ_eff по сравнению с универсальной подвижностью Si. μ_eff может быть улучшена вставкой Al₂O₃ слоя между ZrO₂ и Ge каналом, что, однако, неизбежно ведет к большему EOT. Al₂O₃-свободные Ge nMOSFET с O₃ оксидацией поверхности Ge перед ZrO₂ осаждением достигают пиковой μ_eff 682 см²/В·с, что выше Si при похожем Q_inv.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, поддерживающие выводы статьи, включены в статью.

Аббревиатуры

Ge:

Германий

ZrO₂:

Диоксид циркония

Al₂O₃:

Оксид алюминия

O₃:

Озон

Si:

Кремний

PMA:

Пост-металлизационный отжиг

PDA:

Пост-осадочный отжиг

IL:

Интерфейсный слой

TiN:

Нитрид титана

MOSFETs:

Полевые транзисторы с МОП структурой

ALD:

Атомно-слоевое осаждение

HF:

Фтористоводородная кислота

μ_eff:

Эффективная подвижность носителей

PPO:

Плазменная пост-оксидация

SS:

Субпороговый сдвиг

CET:

Емкостно-эквивалентная толщина

EOT:

Эквивалентная толщина оксида

Qinv:

Плотность инверсионного заряда

HRTEM:

Высокоразрешающая ТЭМ

Ni:

Никель

GeOₓ:

Оксид германия

I_DS:

Дреновый ток

V_GS:

Шлюзовое напряжение

V_TH:

Пороговое напряжение