Optimización del rendimiento de pMOSFET de germanio con dieléctricos de ZrO₂: el papel del recocido post-metalización y post-deposición

Resumen

Este estudio examina cómo el recocido post-metalización (PMA) y post-deposición (PDA) influyen en el rendimiento eléctrico de pMOSFETs de germanio (Ge) tipo p que emplean dieléctrico de compuerta ZrO₂. Dispositivos que omiten PDA muestran mejoras progresivas en corriente de estado encendido (I_ON), pendiente subumbral (SS) y espesor equivalente de capacitancia (CET) al elevar temperatura de PMA de 350 °C a 500 °C. La cristalización de ZrO₂ a temperaturas PMA más altas aumenta su permitividad y reduce densidad de estados de interfaz (D_it), resultando en menor CET y mayor movilidad efectiva de huecos (μ_eff). Por el contrario, dispositivos con paso PDA a 400 °C logran menor CET y SS más pronunciada, pero su μ_eff es inferior a dispositivos sin PDA.

Antecedentes

El germanio (Ge) es reconocido cada vez más como material de canal p de alta movilidad para CMOS de próxima generación, ofreciendo movilidades de huecos que superan al silicio significativamente. Para explotar esta ventaja, un dieléctrico de compuerta de calidad superior y pasivación superficial robusta son esenciales para lograr altas movilidades efectivas de portadores (μ_eff) y corrientes de arrastre en transistores de Ge. Varios dieléctricos high-k —HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, Y₂O₃— se han explorado para reducir CET por debajo de 1 nm. Entre ellos, ZrO₂ destaca por su alta constante dieléctrica (κ ≈ 28–30 en fase cristalina) y excelente calidad interfacial con Ge. La cristalización de ZrO₂ ha mostrado reducir CET e impulsar μ_eff, pero el impacto de diferentes rutas de recocido en rendimiento de dispositivos sigue poco estudiado. Este trabajo investiga cómo PMA y PDA afectan pMOSFETs de Ge con dieléctricos ZrO₂, demostrando que temperaturas PMA más altas mejoran notablemente μ_eff y reducen CET.

Métodos

El flujo de fabricación de pMOSFETs de Ge con dieléctricos ZrO₂ se ilustra en Figura 1a. Dispositivos crecieron sobre obleas Ge(001) tipo n (0.088–0.14 Ω·cm). Tras limpieza secuencial HF (1:50) y enjuague DI, las obleas entraron en cámara ALD. Un paso de post-oxidación con ozono (OPO) —depositando capa de 1 nm Al₂O₃ a 300 °C seguida de 15 min OPO in-situ— proveyó pasivación superficial. Posteriormente, capa de 5 nm ZrO₂ se depositó a 250 °C usando precursores TDMAZr y H₂O, con fuente Zr calentada a 85 °C. Muestras selectas recibieron PDA a 400 °C por 60 s en recocedor térmico rápido (oblea II); las restantes sirvieron como grupo sin PDA (oblea I). Compuerta de 100 nm TaN se depositó por sputtering, patrón y grabado. Regiones fuente/drenaje se formaron por implante BF₂⁺ (30 keV, 1×10¹⁵ cm⁻²), seguidos de contactos Ni 15 nm vía lift-off. Finalmente, PMA se realizó a 350, 400, 450 y 500 °C por 30 s para activar dopantes y completar metalización.

Figura 1b presenta vista SEM de dispositivo típico, Figura 1c muestra corte transversal XTEM destacando compuerta, dieléctrico y regiones fuente/drenaje. Figuras 1d y 1e muestran que capa ZrO₂ está completamente cristalizada tras PMA a 500 °C, con espesor interfacial Al₂O₃ ≈ 0.7 nm.

Resultados y Discusión

Figura 2 muestra capacitancia de inversión (C_inv) vs voltaje de compuerta (V_GS) medido a 300 kHz para dispositivos en oblea I. Valores CET extraídos son 1.95, 1.80, 1.67 y 1.52 nm para temperaturas PMA de 350, 400, 450 y 500 °C respectivamente. Reducción de CET con PMA más alto se atribuye a cristalización de ZrO₂, que aumenta κ de ~20–23 (amórfico) a ~28–30 (cristalino) y reduce densidad de trampas en volumen. Este desplazamiento en curvas C-V confirma calidad dieléctrica mejorada.

Figura 3a presenta características de transferencia y fuga de compuerta (I_G) para dispositivos en oblea I. Todos transistores tienen L_G = 4 µm y W = 100 µm. Fuga de compuerta permanece por debajo de corriente de drenaje para todas temperaturas PMA. Notablemente, dispositivo recocido a 500 °C logra ratio I_ON/I_OFF > 10⁴. Figura 3b muestra curvas I_D-V_DS a diferentes sobrevoltajes (|V_GS – V_TH|). Comparado con 350 °C, dispositivo 500 °C exhibe 47% y 118% mayores corrientes de arrastre a V_DS = –1.0 V y |V_GS – V_TH| = 0.8 V respectivamente. Figura 3c resume estadísticas I_ON a V_DS = –0.5 V y |V_GS – V_TH| = –1 V, confirmando que recocido 500 °C entrega rendimiento superior de estado encendido debido a menor resistencia fuente/drenaje, menor CET y mayor μ_eff.

Figura 4 presenta gráficos estadísticos de D_it de banda media, SS y V_TH para diferentes temperaturas PMA. Valores D_it extraídos (método conductancia máxima) son 1.3×10¹³, 9.5×10¹², 9.2×10¹² y 6.3×10¹² cm⁻² eV⁻¹ para 350, 400, 450 y 500 °C respectivamente. Dispositivo 500 °C demuestra SS más pronunciada debido a menor D_it y CET. Aunque D_it y SS permanecen sobre los mejores transistores de Ge reportados, optimización adicional del proceso OPO (espesor Al₂O₃, temperatura oxidación, duración) podría rendir mejoras adicionales. V_TH se desplaza positivamente con PMA creciente, reflejando reducción de CET y D_it. En general, rendimiento eléctrico óptimo se logra con PMA a 500 °C.

Movilidad efectiva de huecos (μ_eff) se extrae usando método ΔR_tot/ΔL_G [18] en dispositivos con L_G de 1.5 a 9 µm. Figura 5a muestra R_tot vs L_G a |V_GS – V_TH| = –1 V y V_DS = –0.05 V; valores R_SD correspondientes son 7.85, 7.15, 6.10 y 4.35 kΩ·µm para 350, 400, 450 y 500 °C, indicando activación de dopantes mejorada a PMA más altas. Pendiente ΔR_tot/ΔL_G es mínima para dispositivo 500 °C, dando μ_eff pico de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ —31% mayor que contraparte 400 °C. A densidades altas de carga de inversión (Q_inv ≈ 1×10¹³ cm⁻²), dispositivo 500 °C mantiene movilidad superior. ZrO₂ cristalino reduce densidad de trampas en volumen, minimizando dispersión Coulombiana remota, y la interfaz ZrO₂/Ge más suave reduce dispersión por rugosidad superficial, desplazando pico de movilidad a Q_inv más altas.

Examinamos influencia de PDA en características de dispositivos. Figura 6 compara C_inv-V_GS para dispositivos en oblea I (sin PDA) y oblea II (PDA a 400 °C) recocidos a 400 °C. Dispositivo PDA exhibe CET marcadamente menor (1.29 nm vs 1.80 nm). Figura 7a muestra PDA aumenta fuga de compuerta, probablemente por CET reducido. Sin embargo, dispositivo sin PDA entrega 24% mayor corriente de arrastre al mismo sobrevoltaje (–0.8 V) en región de saturación, como ilustra Figura 7b.

Figura 8 resume resultados estadísticos de D_it, SS y V_TH para dispositivos con y sin PDA. Dispositivo PDA muestra D_it menor y SS media de 142 mV/década, indicando interfaz ZrO₂/Ge mejorada. V_TH difiere entre grupos, reflejando variaciones en densidad de trampas cerca de banda prohibida.

Figura 9 muestra R_tot vs L_G para dispositivos PMA 400 °C. R_SD es 7.15 kΩ·µm (sin PDA) y 7.30 kΩ·µm (PDA). Dispositivo PDA exhibe μ_eff pico de 211 cm² V⁻¹ s⁻¹, menor que dispositivo 400 °C sin PDA. Movilidad reducida se atribuye a dispersión Coulombiana remota增强 de cargas fijas en dieléctrico ZrO₂.

Conclusiones

Se ha explorado sistemáticamente cómo PMA y PDA afectan pMOSFETs de Ge con dieléctricos ZrO₂. Cristalización del dieléctrico de compuerta ZrO₂, lograda por PMA a 500 °C, reduce sustancialmente CET e impulsa movilidad de huecos —rendiendo μ_eff pico de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ y corriente de arrastre mejorada. Mientras paso PDA a 400 °C reduce aún más CET y D_it, compromete movilidad y aumenta fuga comparado a dispositivos sin PDA. Así, PMA a alta temperatura sin PDA es ruta preferida para optimizar rendimiento de pMOSFETs de Ge.

Disponibilidad de Datos y Materiales

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

Abreviaturas

ALD:

Deposición de capas atómicas

BF₂⁺:

Ión fluoruro de boro

CET:

Espesor equivalente de capacitancia

Ge:

Germanio

HF:

Ácido fluorhídrico

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

IL:

Capa interfacial

MOSFETs:

Transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor

Ni:

Níquel

PDA:

Recocido post-deposición

PMA:

Recocido post-metalización

SS:

Pendiente subumbral

TaN:

Nitruro de tantalio

TDMAZr:

Tetrakis(dimetilamido)zirconio

ZrO₂:

Dióxido de zirconio

μ_eff:

Movilidad efectiva de portadores