Ge MOSFET de canal N con dieléctrico ZrO2 Logrando una movilidad mejorada

un Medido C en función del voltaje V características de los condensadores Ge pMOS en las obleas A, B y C. b J versus V curvas para los dispositivos. c Evaluación comparativa de J (extraído en V _FB ± 1 V) de los condensadores Ge MOS en este trabajo contra datos obtenidos para condiciones de polarización similares de la literatura

El GeO _x / Al ₂ O ₃ IL para la oblea A y GeO _x IL para la oblea C produce el EOT de ~ 1,2 y ~ 0,25 nm, respectivamente. El EOT de los dispositivos se puede reducir aún más disminuyendo el grosor de IL o mejorando la calidad de la interfaz y mejorando la permitividad de ZrO ₂ con algo de pasivación superficial, por ejemplo, NH ₃ / H ₂ tratamiento con plasma [6]. La figura 3c compara J frente a las características de EOT para los nMOSFET de Ge en este trabajo frente a los valores de otros dispositivos de Ge reportados [5, 12,13,14,15,16,17]. También se observa que los resultados son consistentes con el Ge MOS informado con EOT ultradelgado siguiendo las mismas tendencias, lo que indica que la diferencia de corriente de fuga mostrada en la Fig. 3b debe atribuirse principalmente a la diferencia de EOT.

La Figura 4a muestra la corriente de drenaje medida ( I _D ) y la fuente actual ( I _S ) versus voltaje de puerta ( V _G ) curvas de Ge nMOSFET de las obleas A, B y C. Todos los transistores tienen una longitud de compuerta L _G de 4 μm y un ancho de puerta W de 100 μm. El punto de oscilación del subumbral (SS), definido como d V _G / d (log I _D ), en función de I _D Las curvas de los transistores de la Fig. 4a se calculan y se muestran en la Fig. 4b. Se aclara que el transistor en la oblea A exhibe el I degradado _D piso de fuga y SS en comparación con los dispositivos en las obleas B y C. Además del aumento de EOT en los dispositivos en la oblea A traería el incremento de SS, estos fenómenos deberían atribuirse en parte al hecho de que el dispositivo con el Al ₂ O ₃ La capa insertada tiene una mayor densidad de trampas de interfaz ( D _eso ) dentro de la banda prohibida del canal Ge en comparación con las obleas B y C.

un Medido I _D y yo _S versus V _GS curvas de Ge nMOSFET en las obleas A, B y C. b Punto SS en función de I _D para los transistores. c yo _D - V _D Las características muestran que el Ge nMOSFET en la oblea A tiene una corriente de excitación más alta en comparación con los dispositivos en las obleas B y C

La Figura 4c muestra las características de salida medidas, es decir, I _D - V _D curvas para varios valores de sobremarcha de puerta | V _G - V _TH | de los dispositivos que demuestran que el transistor Ge en la oblea A logra una corriente de excitación significativamente mejorada en comparación con los dispositivos en las obleas B y C. Aquí, V _TH se define como V _GS correspondiente a un I _D de 10 ⁻⁷ A / μm. Teniendo en cuenta las condiciones idénticas para la formación de S / D, el I impulsado _DS para transistores en la oblea A indica el mayor μ _ef [18,19,20,21]. El Al ₂ O ₃ capa no ha llevado a la degradación de D _eso rendimiento cerca de la banda de conducción del canal Ge.

La figura 5a muestra la resistencia total R _tot en función de L _G para los Ge nMOSFET con ZrO ₂ dieléctrico con una L _G que van de 2 a 10 µm. Los valores de R _tot se extraen en una sobremarcha de puerta de 0. 6 V y una V _D de 0,05 V. La resistencia S / D R _SD de los transistores se extrae para que sea ~ 13,5 kΩ μm, utilizando las líneas ajustadas que se cruzan en el y -eje. El R similar _SD es consistente con el proceso idéntico de formación de PMA y S / D. La resistencia del canal R _CH Los valores de los dispositivos se obtienen por la pendiente de las líneas ajustadas, es decir, Δ R _tot / Δ L _G , que se puede utilizar para calcular el μ _ef características de los Ge nMOSFET. Para evaluar la calidad de la interfaz, las densidades de trampa de interfaz ( D _eso ) se extrajeron mediante la siguiente ecuación de acuerdo con el método de Hill [17]:

donde q es la carga electrónica, A es el área del condensador, G _{m, máximo} es el valor máximo de conductancia medida, con su correspondiente capacitancia C _m , ω es la frecuencia angular y C _buey es la capacitancia de óxido de puerta. La D _eso los valores se calculan en 3,7, 3,2 y 2,3 × 10 ¹² eV ⁻¹ cm ⁻² para los dispositivos de las obleas A, B y C, respectivamente.

Se sabe que los valores calculados corresponden a la brecha media D _eso . El dispositivo con Al ₂ O ₃ IL en la oblea A tiene un espacio medio más alto D _eso en comparación con los dispositivos de las obleas B y C. Esto es coherente con los resultados de las Figs. 3a y 4a, y la brecha media superior D _eso da lugar a una mayor dispersión de la capacitancia de agotamiento en la oblea A, lo que provoca una mayor corriente de fuga de I _DS en comparación con las otras dos obleas. Tenga en cuenta que la oblea A debe tener la D inferior _eso cerca de la banda prohibida de conducción debido a su mayor μ _ef sobre las obleas B y C.

un R _tot versus L _G curvas para Ge nMOSFET en las obleas A, B y C. La línea ajustada que se cruza en el eje y y la pendiente de las líneas de ajuste lineal se utilizan para extraer el R _SD y R _CH , respectivamente. b μ _ef para los nMOSFET de Ge de este trabajo frente a los resultados publicados anteriormente para los transistores de Ge sin tensión. Los dispositivos en la oblea A muestran la μ mejorada _ef que la movilidad universal de Si en toda la gama de Q _inv

Es bien sabido que μ _ef es el cuello de botella para la alta corriente de excitación y transconductancia en Ge nMOSFET. Aquí, μ _ef se puede calcular mediante \ (\ mu _ {{{\ text {eff}}}} =1 / [WQ _ {{{\ text {inv}}}} (\ Delta R _ {{{\ text {tot}}}} / \ Delta L _ {{\ text {G}}})] \), donde Δ R _tot / Δ L _G es la pendiente de la R _tot versus L _G como se muestra en la Fig. 5a. Q _inv se puede obtener integrando el C medido _inv - V _G curvas. En la Fig. 5b, comparamos el μ _ef versus Q _inv de los nMOSFET de Ge en las obleas A, B y C con los informados anteriormente en [18, 22,23,24,25]. El pico extraído μ _ef los valores de los transistores en las obleas A y C son 795 y 682 cm ² / V s, respectivamente, y el de Ge nMOSFET en la oblea B es 433 cm ² / V s. Ge nMOSFET con Al ₂ O ₃ IL logra un μ significativamente mejorado _ef en comparación con los transistores en la oblea B o C, los dispositivos en [18, 22,23,24,25] en un campo alto, y la movilidad universal de Si en todo el Q _inv rango. En una Q _inv de 5 × 10 ¹² cm ⁻² , un 50% μ _ef la mejora se logra en dispositivos en la oblea A en comparación con la movilidad universal Si. Esto demuestra que al proteger la superficie del canal para evitar la mezcla de ZrO ₂ y GeO _x usando Al ₂ O ₃ , se realiza una interfaz de alta calidad entre el aislador de la puerta y Ge para aumentar las características de movilidad, lo que también se informó en los estudios anteriores de MOSFET Ge con EOT ultradelgado [26]. μ _ef en transistores en la oblea C es más alto que el universal Si en un Q _inv de 2,5 × 10 ¹² cm ⁻² , aunque decae rápidamente con el aumento de Q _inv rango. Esto indica que el O ₃ usado oxidación antes de ZrO ₂ la deposición mejoraría la calidad interfacial hasta cierto punto; sin embargo, no produce suficiente superficie de canal plana para suprimir eficazmente la dispersión de la rugosidad de la superficie del portador a un Q alto _inv debido a la mezcla de ZrO ₂ y GeO _{x ,} ya que se informa que la generación de vacantes de oxígeno durante el entremezclado aumentaría la rugosidad de orden de corto alcance (SRO) [27]. Optimización del O ₃ proceso de oxidación o reducción del Al ₂ O ₃ El grosor de IL puede hacer que el transistor Ge logre un EOT reducido mientras mantiene un μ más alto _ef en el alto Q _inv .

Conclusiones

Se investigan los impactos de la morfología y la estructura dieléctrica de la puerta en las características eléctricas de Ge nMOSFET. Un Al ₂ O ₃ / ZrO ₂ el dieléctrico de la puerta proporciona una μ significativamente mejorada _ef en comparación con la movilidad universal Si. μ _ef se puede mejorar insertando un Al ₂ O ₃ capa entre el ZrO ₂ y el canal Ge, que, sin embargo, conduce inevitablemente a un EOT más grande. Al ₂ O ₃ -MOSFET de Ge gratis con O ₃ oxidación de la superficie de Ge antes de ZrO ₂ la deposición alcanza un pico μ _ef de 682 cm ² / V s que es más alto que el de Si en el Q similar _inv .

Disponibilidad de datos y materiales

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

Abreviaturas

Ge:

Germanio

ZrO ₂ :

Dióxido de circonio

Al ₂ O ₃ :

Óxido de aluminio

O ₃ :

Ozono

Si:

Silicio

PMA:

Recocido post-metal

PDA:

Recocido posterior a la deposición

IL:

Capa interfacial

TiN:

Nitruro de titanio

MOSFET:

Transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico

ALD:

Deposición de la capa atómica

HF:

Ácido fluorhídrico

µ _ef :

Movilidad eficaz del transportista

PPO:

Post-oxidación del plasma

SS:

Oscilación del subumbral

CET:

Espesor equivalente a capacitancia

EOT:

Espesor de óxido equivalente

Qinv:

Densidad de carga de inversión

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

Ni:

Níquel

GeO _x :

Óxido de germanio

I _DS :

Drenar corriente

V _GS :

Voltaje de puerta

V _TH :

Voltaje umbral

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