Ge pMOSFET de alta movilidad con dieléctrico de ZrO2:impactos del recocido posterior

Inversión C _inv - V _GS curvas para los Ge pMOSFET en la oblea I con un PMA a 350 ° C, 400 ° C, 450 ° C y 500 ° C

La Figura 3a muestra las características de transferencia medidas y las corrientes de fuga de la compuerta I _G de Ge pMOSFETs en la oblea I con las diferentes temperaturas de PMA. Todos los dispositivos tienen una longitud de puerta L _G de 4 μm y un ancho de puerta W de 100 μm. Los pMOSFET de Ge exhiben un I mucho más bajo _G en comparación con yo _DS para todas las temperaturas PMA. Un yo _ACTIVADO / Yo _APAGADO proporción superior a 10 ⁴ se logra para el dispositivo con un PMA a 500 ° C. El yo _DS - V _DS curvas de los dispositivos medidos en las diferentes puertas de sobremarcha | V _GS - V _TH | se muestran en la Fig. 3b. Se observa que el voltaje umbral V _TH se define como la V _GS en I _DS de 10 ⁻⁷ A / μm. El transistor Ge con un PMA a 500 ° C obtiene una mejora de la corriente de excitación de ~ 47% y 118% en comparación con los dispositivos recocidos a 450 ° C y 350 ° C, respectivamente, a V _DS de - 1.0 V y una | V _GS - V _TH | de 0,8 V. La figura 3c muestra el gráfico estadístico de I _ACTIVADO en una V _DS de - 0,5 V y una V _GS - V _TH de - 1 V para Ge pMOSFET con las distintas temperaturas PMA. Todos los transistores de este gráfico tienen una L _G de 4 μm y un W de 100 μm. Los dispositivos con PMA a 500 ° C presentan una I mejorada _ACTIVADO en comparación con aquellos con temperaturas de PMA más bajas, lo que se atribuye a la disminución de la resistencia S / D, la reducción del CET y la mayor μ _ef , que se discutirá más adelante.

un Medido I _D , yo _S y yo _G vs. V _GS curvas de Ge pMOSFET en la oblea I con el PMA a 350, 400, 450 y 500 ° C. b yo _DS - V _DS curvas medidas en los diferentes V _GS - V _TH para los dispositivos. c El dispositivo recocido a 500 ° C tiene una corriente en estado más alta I _ACTIVADO en comparación con los transistores con PMA a temperaturas más bajas

La Figura 4 muestra los gráficos estadísticos de midgap D _eso , SS y V _TH características de los dispositivos con las diferentes temperaturas PMA. Como se muestra en la Fig. 4a, basado en el método de conductancia máxima [17], el intervalo medio D _eso los valores se extraen para que sean 1,3 × 10 ¹³ , 9,5 × 10 ¹² , 9,2 × 10 ¹² y 6,3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ para los dispositivos con PMA a 350, 400, 450 y 500 ° C, respectivamente. La Figura 4b presenta que los pMOSFET de Ge recocidos a 500 ° C tienen las características SS mejoradas que los transistores recocidos a temperaturas más bajas, debido al intervalo medio más pequeño D _eso y CET. Los valores de D _eso y SS de los pMOSFET de Ge con PMA son aún más altos que los de los transistores de Ge mejor informados. Posiblemente podría reducirse optimizando el módulo de pasivación OPO, por ejemplo, Al ₂ O ₃ espesor y temperatura y duración de la oxidación del ozono. V _TH cambia a la V positiva _GS con el aumento de la temperatura de PMA, que se origina a partir del CET reducido y D _eso . Se concluye que el mejor rendimiento eléctrico se logra para Ge pMOSFET con un PMA a 500 ° C.

Comparación de a medio espacio D _eso , b SS y c V _TH para Ge pMOSFET en oblea I con el PMA a 350, 400, 450 y 500 ° C

μ _ef , como un factor crucial que afecta la corriente de excitación del dispositivo y la transconductancia en los pMOSFET de Ge, se midió utilizando Δ R _tot / Δ L _G método [18]. Se midió una gran cantidad de dispositivos con L _G que van desde 1,5 a 9 μm. La figura 5a ilustra la resistencia total R _tot extraído en un | V _GS - V _TH | de - 1 V y una V _DS de - 0,05 V en función de L _G . La R _SD es el valor en el que la línea ajustada se cruza en la y -eje. La R _SD los valores se estimaron aproximadamente en 7,85, 7,15, 6,10 y 4,35 kΩ · μm para dispositivos con PMA a 350, 400, 450 y 500 ° C, respectivamente. Esto es indicativo de la mejor activación del dopante de S / D a una temperatura de PMA más alta. μ _ef se puede extraer con μ _ef =1 / [ WQ _inv (Δ R _tot / Δ L _G )], donde Q _inv es la densidad de carga de inversión en el canal de Ge y Δ R _tot / Δ L _G es la pendiente de la R _tot frente a L _G como se muestra en la Fig. 5a. El Δ R más pequeño _tot / Δ L _G para dispositivos con PMA a 500 ° C indica una mejora en μ _ef en comparación con transistores con PMA a 450 ° C. La figura 5b muestra μ _ef en función de Q _inv curvas, extraídas usando la división C - V método. La movilidad máxima del agujero es de 384 cm ² / V · s para dispositivos con un PMA a 500 ° C, que es un 31% más alto que el de los dispositivos con un PMA a 400 ° C. Con un Q alto _inv de 1 × 10 ¹³ cm ⁻² Los pMOSFET de Ge que se sometieron a un PMA a 500 ° C logran una mejora de la movilidad en comparación con los dispositivos recocidos a 400 ° C. Transistores Ge con ZrO ₂ cristalino tienen la menor densidad de carga de la trampa a granel, lo que resulta en una menor dispersión remota de los orificios de Coulomb, en comparación con los dispositivos con ZrO ₂ amorfo . Debido a la interfaz suave entre ZrO ₂ cristalino y los dispositivos Ge, Ge recocidos a 500 ° C tienen una dispersión de rugosidad superficial más baja y muestran un cambio de movilidad máxima a la Q más alta _inv .

un R _tot en función de L _G en una V _GS - V _TH de - 1 V y una V _DS de - 0.05 V para dispositivos en la oblea I con varias temperaturas PMA. b μ _ef vs. Q _inv extraído por la división C - V método. La mayor movilidad se obtiene en dispositivos con PMA a 500 ° C

A continuación, discutimos los impactos de PDA en las características eléctricas de Ge pMOSFET. La Figura 6 muestra la C medida _inv frente a V _GS de los Ge pMOSFET en la oblea I y la oblea II con un PMA a 400 ° C. El dispositivo que se sometió a una PDA a 400 ° C tiene un valor CET mucho más bajo de 1,29 nm en comparación con el dispositivo sin PDA, 1,80 nm. La figura 7a muestra el I _D , yo _S y yo _G - V _GS curvas características de Ge pMOSFET en la oblea I y la oblea II, y los dispositivos que se sometieron a una PMA a 400 ° C. Se obtiene una corriente de fuga de puerta mayor para el dispositivo con PDA en comparación con el transistor sin PDA, lo que se debe al CET más bajo. El I correspondiente _DS - V _DS curvas de los dispositivos medidos en diferentes compuertas overdrive V _GS - V _TH se muestran en la Fig. 7b. El transistor Ge sin PDA muestra una mejora de ~ 24% en la corriente de excitación con respecto al que tiene PDA a 400 ° C con la misma sobremarcha de - 0,8 V en la región de saturación.

C _inv -V _GS gráficos para los dispositivos en la oblea I y II con un PMA a 400 ° C

un yo _D , yo _S y yo _G vs. V _GS curvas de Ge pMOSFET en la oblea I y II con PMA a 400 ° C. b yo _DS - V _DS curvas medidas a diferentes V _GS - V _TH para los dispositivos

La Figura 8 traza los resultados estadísticos de midgap D _eso , SS y V _TH de los Ge pMOSFET con y sin PDA. La figura 8a muestra que la D más pequeña _eso se consigue en Ge pMOSFET con PDA a 400 ° C en comparación con dispositivos sin PDA. En la Fig. 8b, el valor más bajo de la oscilación media del subumbral de 142 mV / década se logra para dispositivos con PDA a 400 ° C, correspondiente al CET más bajo y el D más bajo. _eso . Indica que los dispositivos con PDA a 400 ° C tienen un ZrO ₂ superior / Ge interfaz. La Figura 8c muestra que los dispositivos con y sin PDA tienen una V diferente _TH ; puede atribuirse a la densidad de trampas en la mitad inferior de la banda prohibida dominante en la V _TH .

Comparación de a medio espacio D _eso , b SS y c V _TH para Ge pMOSFET en obleas I y II con PMA a 400 ° C

La figura 9a muestra la R _tot frente a L _G curvas en una sobremarcha de puerta de - 1 V y V _DS de - 0,05 V para dispositivos con PMA a 400 ° C. La R _SD los valores se estiman aproximadamente en 7,15 y 7,30 kΩ · μm para dispositivos sin y con PDA a 400 ° C, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 9b, un pico notablemente más alto μ _ef se logra para Ge pMOSFET sin PDA, correspondiente al Δ R más pequeño _tot / Δ L _G en la Fig. 9a, en comparación con dispositivos con PDA. Los dispositivos con PDA a 400 ° C presentan un pico μ _ef de 211 cm ² / V · s; la movilidad del pozo inferior podría atribuirse principalmente a la fuerte dispersión remota de Coulomb contribuida por la carga fija en ZrO ₂ dieléctrico.

un R _tot frente a L _G curvas para dispositivos en oblea I y oblea II con PMA a 400 ° C. b Movilidad del agujero μ _ef frente a Q _inv para dispositivos con y sin PDA

Conclusiones

En resumen, los impactos de PMA y PDA en Ge pMOSFET con ZrO ₂ dieléctrico fueron ampliamente investigados. Cristalización de ZrO ₂ El dieléctrico de la compuerta proporciona una movilidad de pozo significativamente mejorada y una CET reducida en comparación con los dispositivos a la temperatura de PMA más baja. Una movilidad máxima del agujero de 384 cm ² / V · sy una corriente de excitación mejorada se han logrado en dispositivos con PMA a 500 ° C. Los dispositivos con PDA a 400 ° C exhibieron el CET más bajo y el D más pequeño _eso pero la movilidad deficiente del orificio y la corriente de fuga más grande en comparación con los transistores sin PDA.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen en el artículo.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

BF ₂ ⁺ :

Ión de fluoruro de boro

CET:

Espesor efectivo capacitivo

Ge:

Germanio

HF:

Ácido fluorhídrico

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

IL:

Capa interfacial

MOSFET:

Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico

Ni:

Níquel

PDA:

Recocido posterior a la deposición

PMA:

Post recocido de metales

SS:

Oscilación del subumbral

TaN:

Nitruro de tantalio

TDMAZr:

Tetrakis (dimetilamido) hafnio

ZrO ₂ :

Dióxido de circonio

μ _ef :

Movilidad eficaz del transportista

Fabricación de heteroestructuras de esquema Z Ag3PO4 / TiO2 para mejorar la actividad fotocatalítica visible Fotodetectores orgánicos de alto rendimiento mediante la introducción de un aceptador no fullereno para ampliar el espectro de detección de longitud de onda larga