pMOSFETs de Germanio de Alto Rendimiento mediante Pasivación GeOₓ Inducida por Ozono: Análisis Comparativo con Post-Oxidación por Plasma

Resumen

Comparamos el rendimiento eléctrico de pMOSFETs de germanio que reciben una capa de pasivación GeO_x formada por post-oxidación con ozono (OPO) o post-oxidación por plasma (PPO). Ambos procesos se aplican a un sustrato Al₂O₃/n-Ge (001), seguido por un dieléctrico de puerta HfO₂ de 5 nm depositado in situ por ALD. Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) confirman que el tratamiento PPO introduce un desplazamiento positivo del voltaje umbral y menor ratio I_ON/I_OFF, indicando interfaz degradada. En contraste, OPO produce ratio I_ON/I_OFF cuatro órdenes de magnitud mayor, pendiente sub-umbral más pronunciada y movilidad de portadores superior. Una capa bloqueadora Al₂O₃ más gruesa en proceso OPO mejora aún más la movilidad. En general, OPO proporciona ruta más efectiva a interfaz Ge/óxido de alta calidad y movilidad efectiva mejorada en pMOSFETs de Ge.

Antecedentes

Los dispositivos CMOS convencionales se acercan a sus límites físicos, dificultando mejorar rendimiento solo con silicio. El germanio, con su mayor movilidad de portadores, ha emergido como material de canal prometedor, pero lograr baja densidad de estados de interfaz (D_it) sigue siendo un reto debido a la inestabilidad de GeO₂ y enlaces colgantes. Numerosas estrategias se han explorado para pasivar la interfaz Ge/dieléctrico, como pre-depositar monocapas de silicio o auto-pasivación intencional via crecimiento de GeO₂. Técnicas de oxidación —incluyendo oxidación a alta presión, ozono, plasma H₂O y resonancia ciclotrónica de electrones (ECR) plasma— se han empleado para reducir D_it y mejorar estabilidad térmica.

Estudios recientes han demostrado MOSFETs de Ge de alto rendimiento por post-oxidación a través de interfaz Al₂O₃/Ge. Por ejemplo, un inversor CMOS de Ge sobre aislamiento (GeOI) usó recocido térmico rápido en O₂ puro para crecer GeO_x tras capa Al₂O₃ de 1 nm. La oxidación con ozono, más reactiva que O₂, permite crecimiento a menor temperatura, y ha mostrado mejorar control de espesor GeO_x y rendimiento de dispositivo. Sin embargo, faltaba una comparación sistemática entre post-oxidación con ozono y plasma en la misma interfaz Al₂O₃/n-Ge.

En este trabajo, fabricamos pMOSFETs de Ge usando tanto OPO como PPO en interfaces Al₂O₃/n-Ge y comparamos sus características eléctricas. Todos los demás pasos de proceso son idénticos. La influencia del espesor de capa bloqueadora Al₂O₃ y los mecanismos subyacentes de degradación de movilidad también se examinan. Nuestros resultados demuestran que OPO es método de pasivación superior para futura tecnología MOSFET de Ge.

Métodos

Los pMOSFETs de Ge se fabricaron en obleas n-Ge (001) de 4 pulgadas (resistividad 0,14–0,183 Ω cm). Tras limpieza con HF diluido (1:50), se depositó película ~1 nm Al₂O₃ a 300 °C por ALD mejorado por plasma (PEALD) usando trimetilaluminio (TMA) y H₂O. La delgada capa interfacial Al₂O₃/GeO₂ (denotada AlO_x/GeO_x) se sometió luego a 60 s de plasma de oxígeno (PPO) via fuente de plasma remoto o a tratamiento de ozono (OPO) de 20 min en mezcla 50 % O₃/O₂. Inmediatamente tras oxidación, se depositó dieléctrico de puerta HfO₂ de 5 nm a 300 °C por ALD (60 ciclos, usando TDMAHf y H₂O). Se sputterizó metal de puerta TaN de 100 nm, seguido por litografía y grabado. Regiones fuente/drenaje se implantaron auto-alineadas con BF₂⁺ (20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), tapadas con 20 nm Ni, y activadas por recocido térmico rápido a 450 °C por 30 s.

a Flujo de proceso para fabricación de pMOSFETs Ge con tres métodos de pasivación. b Esquemático y c imagen SEM del transistor fabricado.

Imágenes TEM transversales revelan la pila de puerta TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge para PPO y OPO. En muestra PPO, una distinta interfase AlO_x/GeO_x separa HfO₂ de Ge, mientras que muestra OPO muestra interfaz más difusa, consistente con reportes literarios sobre espesor GeO₂.

TEM transversal de la pila high-k/metal gate con (a) interfases AlO_x/GeO_x formadas por OPO y (b) PPO en n-Ge (001).

Resultados y Discusión

La caracterización de dispositivos se realizó con sistema Keithley 4200-SCS. Todos los transistores tienen longitud de puerta 3 µm. El dispositivo PPO (oblea A) muestra mayor corriente de drenaje saturada pero también mayor corriente OFF comparado con dispositivos OPO (obleas B y C). Importante, los dispositivos OPO operan en modo de realce, mientras que dispositivo PPO permanece en modo de depleción, indicando carácter residual tipo p debido a mayor D_it.

a I_DS–V_GS y b I_DS–V_DS para pMOSFETs Ge PPO (oblea A) y OPO (obleas B, C).

Análisis estadístico de ratio I_ON/I_OFF y pendiente sub-umbral (SS) confirma que dispositivos OPO logran hasta cuatro órdenes de magnitud mayor I_ON/I_OFF y SS más pronunciada, reflejando interfaz más limpia. Aumentar espesor bloqueador Al₂O₃ de 10 a 15 ciclos mejora corriente ON pero reduce ratio I_ON/I_OFF debido a mayor espesor de óxido equivalente (EOT).

Gráficos estadísticos de a SS y b I_ON/I_OFF para dispositivos PPO versus OPO.

Medidas XPS en muestras dummy (sin HfO₂ y TaN) revelan que PPO produce capa GeO_x dominada por especies Ge¹⁺ y Ge³⁺, mientras OPO produce distribución de estado de oxidación mayor, reduciendo componente Ge¹⁺ e indicando formación más completa de GeO₂.

a Espectros Ge 3d XPS para Al₂O₃/GeO_x/Ge bajo PPO, OPO-10, y OPO-15. b Ajuste de picos de espectros Ge 3d.

Medidas C-V puerta-fuente a 1 MHz muestran que proceso OPO resulta en mayor EOT comparado con PPO, con OPO de 15 ciclos (oblea C) exhibiendo mayor EOT. Esto se atribuye a capa bloqueadora Al₂O₃ más gruesa. A pesar del mayor EOT, dispositivos OPO mantienen SS y movilidad superiores.

C-V puerta-fuente de dispositivos PPO (oblea A) y OPO (obleas B, C).

Análisis de resistencia total (R_T) versus longitud de puerta indica que dispositivos PPO tienen menor resistencia serie y de canal, consistente con datos C-V. Sin embargo, las mayores R_SD y R_CH para dispositivos OPO son compensadas por movilidad mejorada.

R_T versus L_G para los tres tipos de dispositivo.

La movilidad efectiva de huecos (μ_eff) se extrajo de la pendiente de resistencia total. Dispositivos OPO exhiben mayor μ_eff pico que PPO, con oblea C (OPO 15 ciclos) alcanzando 283 cm²/Vs. Comparado con literatura, esto representa mejora 2,37× sobre movilidad universal de silicio a densidad de carga de inversión 5 × 10¹² cm⁻². La ventaja de movilidad se atribuye a dispersión Coulomb reducida y mejor calidad de interfaz.

μ_eff versus Q_inv para dispositivos PPO y OPO. El OPO 15 ciclos (oblea C) alcanza μ_eff pico de 283 cm²/Vs.

Conclusiones

Hemos demostrado que pMOSFETs de Ge con pasivación GeO_x fabricados via post-oxidación con ozono superan a los que usan post-oxidación por plasma. OPO produce mayores ratios I_ON/I_OFF, pendientes sub-umbral más pronunciadas y μ_eff pico superior. Aumentar el espesor de capa bloqueadora Al₂O₃ en proceso OPO mejora movilidad a costa de mayor EOT. Estos hallazgos confirman que OPO es estrategia de pasivación efectiva para interfaces Ge/óxido de alta calidad, convirtiéndolo en candidato prometedor para futura tecnología MOSFET de Ge.

Abreviaturas

Al₂O₃:

Óxido de aluminio

ALD:

Deposición de capas atómicas

BF₂⁺:

Ión fluoruro de boro

EOT:

Espesor de óxido equivalente

Ge:

Germanio

GeO_x:

Óxido de germanio

HF:

Ácido fluorhídrico

HfO₂:

Dióxido de hafnio

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

MOSFETs:

Transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor

OPO:

Post-oxidación con ozono

PPO:

Post-oxidación por plasma

Q_inv:

Densidad de carga de inversión

SS:

Pendiente sub-umbral

XPS:

Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X

μ_eff:

Movilidad efectiva de huecos