Ge pMOSFET con pasivación GeOx formada por ozono y posoxidación del plasma

Resultados y discusión

Keithley 4200-SCS midió las características de salida y transferencia junto con el voltaje de capacitancia (CV) de puerta a fuente de alta frecuencia. La Figura 3 muestra la comparación de las características de transferencia y salida de Ge pMOSFET con tres condiciones de formación diferentes del AlO _x / GeO _x capa de pasivación. Todos los dispositivos de varias obleas tienen una longitud de puerta ( L _G ) de 3 μm. Los dispositivos en la oblea A exhiben una corriente de drenaje saturada más alta ( I _DS ) en comparación con las otras dos obleas. Pero las obleas B y C con OPO muestran una corriente en estado APAGADO mucho menor ( I _APAGADO ) en comparación con la oblea A con PPO. También se ve que las obleas B y C con OPO funcionaron en modo de mejora y la oblea A funcionó en modo de agotamiento. Se infiere que, después del tratamiento con PPO, la superficie de n-Ge sigue siendo de tipo p debido a la alta D _eso valor que se ha discutido en [11]. Oblea C con un Al ₂ más espeso O ₃ la capa de bloque muestra un V positivo _TH cambio en comparación con la oblea B y una D más alta _eso que la oblea B. Se observa a partir de las características de salida que se muestran en la Fig. 3b que, bajo un voltaje de puerta bajo ( V _GS ), la oblea A tiene un I más bajo _DS sobre las obleas B y C debido a la oscilación del subumbral menos pronunciada (SS). Cuando el V _GS aumenta, I _DS de la oblea A es cada vez mayor en comparación con los otros dos dispositivos. Por lo tanto, a partir de las imágenes de la Fig.3 y TEM de la Fig.2, la difusión de AlO _x / GeO _x capa puede suprimir el I _APAGADO , lo que resulta en una mejora de los efectos de pasivación.

un yo _DS –V _GS y b yo _DS –V _DS características de Ge pMOSFET con un Al ₂ O ₃ / GeO ₂ capa de pasivación fabricada por PPO (oblea A) y OPO (obleas B y C)

La Figura 4 resume los resultados estadísticos del I _ACTIVADO / Yo _APAGADO relación y oscilación subumbral de los dispositivos en diferentes obleas. Los pMOSFET de Ge con OPO exhiben un I más alto _ACTIVADO / Yo _APAGADO relación (~ 4 órdenes de magnitud) y SS notablemente mejorada en comparación con el dispositivo PPO, lo que indica una mayor calidad de la interfaz dieléctrica / canal. En comparación con la oblea B, la oblea C exhibe una corriente de estado ON más alta ( I _ACTIVADO ) pero un I inferior _ACTIVADO / Yo _APAGADO proporción.

Gráficos estadísticos de a SS y b yo _ACTIVADO / I _APAGADO relación para Ge pMOSFET con diferentes condiciones de pasivación

Para representar aún más la calidad de la capa interfacial de diferentes métodos de posoxidación, las obleas A, B y C (muestras ficticias sin HfO ₂ y metales de la puerta) se probaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). La medición de XPS se llevó a cabo en tres muestras ficticias posteriores a la oxidación después del tratamiento con PPO u OPO sin HfO ₂ deposición y pulverización catódica de TaN. La estequiometría de GeO _x en Al ₂ O ₃ Las muestras de / GeO / Ge se investigaron con una fuente de rayos X monocromática blanda de Al Kα (1486,6 eV). Ge 3 d Los picos y el análisis de diferenciación de picos se muestran en la Fig. 5. El Ge 3 d _5/2 El pico de las tres muestras se unifica a 29,7 eV, y los cambios químicos de Ge 3 d _3/2 , Ge ¹⁺ , Ge ²⁺ , Ge ³⁺ y Ge ⁴⁺ a Ge 3 d _5/2 se establecen en 0,6, 0,8, 1,8, 2,75 y 3,4 eV, respectivamente [12]. En la Fig. 5b, la oblea A muestra que después de un PPO de 60, la principal valencia de Ge en GeO _x son Ge ¹⁺ y Ge ³⁺ . Se observa una distribución de estado de equilibrio de Ge similar en la oblea C, y un Ge ³⁺ el componente aumenta ligeramente. En la Fig. 5b, la oblea B muestra que un dispositivo OPO con Al ₂ más delgado (10 ciclos) O ₃ oxidará aún más Ge ¹⁺ en Ge ²⁺ , Ge ³⁺ y Ge ⁴⁺ , mientras que Ge ¹⁺ se reduce significativamente.

un Ge 3 d Espectros XPS de Al ₂ O ₃ / GeO _x / Ge formado por diferentes condiciones. b Accesorios de pico del Ge 3 d Espectros XPS de GeO ₂ capa para las tres muestras

Las características de CV de puerta a fuente se muestran en la Fig. 6. A partir de la curva CV de 1 MHz, la D _eso cerca de la brecha media es estimada por Terman's método [13], y un valor de espesor de óxido equivalente (EOT) también se evalúa como se enumera en la Tabla 1. La OPO de veinte minutos (obleas B y C) da como resultado una EOT más alta en comparación con la PPO (oblea A). La oblea C exhibe un EOT más alto que la oblea B, debido al Al ₂ más grueso O ₃ como capa de bloqueo. Se ha informado que el espesor de GeO _x sobre una superficie de Ge desnuda en O ₃ la temperatura ambiente alcanza la saturación en unos pocos minutos y el espesor de saturación está dominado por la temperatura en lugar del tiempo de oxidación [10]. Entonces, en este documento, el grosor de GeO _x por ozono después de la oxidación se satura después de unos minutos y el tiempo de oxidación que queda es solo para el recocido.

Capacitancia de puerta a fuente versus V _GS características de Ge pMOSFET pasivados por PPO (obleas A) y OPO (obleas B y C)

La Figura 7 resume la resistencia total ( R _T ) versus L _G de cada dispositivo en este trabajo. Aquí, R _T se define como V _DS / Yo _DS en V _DS =0.05 V y V _GS - V _TH =1 V. La resistencia en serie de fuente / drenaje (S / D) ( R _SD ) y resistencia del canal ( R _CH ) se puede extraer de la intersección y la pendiente del ajuste lineal de R _T - L _G líneas como se muestra en la Fig. 7. La R extraída _SD y R _CH Los resultados se resumen en la Tabla 1. La Figura 7 muestra que los Ge pMOSFET con PPO exhiben una R más baja _SD y R _CH que es consistente con los resultados de capacitancia que se muestran en la Fig. 6.

Resistencia total ( R _T ) versus la longitud de la puerta ( L _G ) de Ge pMOSFET

Movilidad efectiva del agujero μ _ef se extrajo con base en un enfoque basado en pendiente de resistencia total. En la figura 8, comparamos el μ _ef de nuestros Ge pMOSFET con tratamiento con PPO y OPO con los de otros Ge pMOSFET reportados [9, 14]. Q _inv es la densidad de carga de inversión en el canal del dispositivo. Los pMOSFET de Ge con OPO exhiben un pico más alto μ _ef en comparación con los dispositivos con PPO. Oblea C con un Al ₂ más espeso O ₃ La capa de bloque tiene una movilidad de pico más alta de 283 cm ² / V s en comparación con la oblea B con el Al ₂ más delgado O ₃ . La oblea A con PPO presenta un orificio de campo alto inferior μ _ef con los dispositivos con OPO, lo que se atribuye a la menor dispersión de rugosidad. Pero, en campo bajo, los transistores en la oblea A con PPO logran un μ más bajo _ef que los dispositivos OPO debido a la mayor dispersión de coulomb [15]. Solo se han informado unos pocos trabajos sobre Ge pMOSFET fabricados por pasivación de ozono. Aquí, se lleva a cabo una comparación del rendimiento del dispositivo clave entre nuestros dispositivos y los pMOSFET Ge reportados tratados con OPO [9, 14], y los resultados se muestran en la Tabla 2. Se concluye que la oblea C en este trabajo alcanza el alto -campo μ _ef mejora y superior I _ACTIVADO / Yo _APAGADO en comparación con el dispositivo informado tratado con OPO. Además, en una Q _inv de 5 × 10 ¹² cm ^{- 2} , la oblea C muestra un μ 2,37 veces superior _ef en comparación con la movilidad universal Si. El yo _ACTIVADO de la oblea C es ligeramente más baja que la de la Ref. [9] que se debe al EOT más grande.

μ _ef versus Q _inv de Ge pMOSFET con diferentes condiciones de pasivación. Transistores Ge con 15 ciclos Al ₂ O ₃ + 20 min O ₃ oxidación (oblea C) exhibe un pico μ _ef de 283 cm ² / Vs. El impacto de la resistencia S / D en μ _ef La extracción se eliminó mediante el método de extracción de movilidad de canal efectiva basado en pendiente de resistencia total [16]