Ge nMOSFETs de Alta Movilidad usando Dieléctrico de Compuerta ZrO₂

Resumen

Se demuestran Ge nMOSFETs de alta movilidad con dieléctrico de compuerta ZrO₂ y se comparan contra transistores con diferentes propiedades interfaciales de tratamiento ozono (O₃), post-tratamiento O₃ y sin tratamiento O₃. Se encuentra que con tratamiento O₃, los Ge nMOSFETs con dieléctrico ZrO₂ con EOT 0.83 nm obtienen movilidad efectiva electrónica pico (µ_eff) de 682 cm²/Vs, superior a movilidad universal Si a densidad de carga inversión media (Q_inv). Por otro lado, post-tratamiento O₃ con capa interfacial Al₂O₃ proporciona µ_eff dramáticamente mejorada, logrando ~50% mejora µ_eff comparado con movilidad universal Si a Q_inv medio 5×10¹² cm⁻². Estos resultados indican potencial utilización dieléctrico ZrO₂ en Ge nMOSFETs alto rendimiento.

Antecedentes

El GERMANIO (Ge) exhibe ventajas de mayor movilidad portadores y menor temperatura procesamiento comparado con dispositivos Si. Esto hace Ge alternativa para aplicaciones dispositivos CMOS lógica ultrascalados y transistores película delgada (TFTs) como capa superior en circuitos integrados tridimensionales. En años recientes, grandes esfuerzos se enfocaron en pasivación superficie, dieléctrico compuerta e ingeniería canal para Ge p-MOSFETs, contribuyendo a mejora significativa rendimiento eléctrico dispositivos p-canal. Pero para Ge n-MOSFETs, baja movilidad efectiva portadores (µ_eff) causada por capa interfacial pobre de pila compuerta limita fuertemente rendimiento dispositivos. Varias técnicas pasivación superficie incluyendo pasivación Si, post-oxidación plasma, pasivación InAlP y varios dieléctricos high-κ incluyendo HfO₂, ZrO₂, Y₂O₃, La₂O₃ se exploraron en Ge nMOSFETs para impulsar µ_eff electrónica. Se demostró que dieléctrico ZrO₂ integrado con canal Ge proporciona interfaz robusta debido a que capa interfacial GeO₂ puede reaccionar e intermix con capa ZrO₂. Se reportó µ_eff hueco decente en transistores p-canal Ge, mientras aún hay mucho margen mejora µ_eff electrónica para contrapartes. En este trabajo, Ge nMOSFETs con dieléctrico ZrO₂ se fabrican para lograr µ_eff mejorado sobre Si en todo rango Q_inv. Transistores Ge logran 50% mejora µ_eff electrónica comparado con movilidad universal Si a Q_inv medio 5.0×10¹² cm⁻².

Experimental

Pasos clave proceso fabricación Ge nMOSFETs en obleas p-Ge(001) 4-pulgadas resistividad 0.136-0.182 Ω·cm mostrados Fig. 1a. Regiones fuente/drenaje (S/D) implantadas con iones fósforo dosis 1×10¹⁵ cm⁻² energía 30 keV seguidas recocido activación dopante 600 °C. Tras limpieza pre-compuerta, obleas Ge cargadas en cámara deposición capa atómica (ALD) para formación capa(s) dieléctrica compuerta: Al₂O₃/oxidación O₃/ZrO₂, ZrO₂, u oxidación O₃/ZrO₂ para obleas A, B, C respectivamente. Para oblea A, 0.9 nm Al₂O₃ usado proteger superficie canal durante oxidación O₃. Oxidación O₃ realizada 300 °C 15 min obleas A y C. Para todas obleas, espesor ZrO₂ ~3.3 nm. Subsecuentemente, metal compuerta TiN(100 nm) depositado via sputtering reactivo físico, litografía patronado y grabado iónico reactivo para formar electrodo compuerta. Tras eso, capa Ni 25 nm depositada regiones S/D. Finalmente, recocido post-metalización (PMA) 350 °C 30 s para formar germanuro Ni y mejorar calidad interfaz. Esquemático e imágenes microscopio transistor fabricado Fig. 1b, c.

Figura 2a, b muestran imágenes microscopio electrónico transmisión alta resolución (HRTEM) pilas compuerta obleas A y B. Espesor unificado capa interfacial (IL) Al₂O₃/GeOₓ oblea A ~1.2 nm indicando 0.2-0.3 nm GeOₓ. Para dispositivo oblea B, IL GeOₓ ultradelgado demostrado experimentalmente.

Resultados y Discusión

Capacitancia (C) medida y corriente fuga (J) características para condensadores MOS Ge obleas A, B, C mostradas Fig. 3a, b. Espesor óxido equivalente (EOT) dispositivos obleas A, B, C extraído: 1.79, 0.59, 0.83 nm respectivamente. Asumiendo IL GeOₓ aporta EOT extra ~0.25 nm obleas A y C comparando obleas B y C, 3.3 nm ZrO₂ aporta EOT ~0.6 nm con κ ~21.8, consistente valor reportado ZrO₂ amorfo. Estos resultados confirman espesor GeOₓ IL oblea B despreciable.

IL GeOₓ/Al₂O₃ oblea A y GeOₓ IL oblea C producen EOT ~1.2 y ~0.25 nm respectivamente. EOT dispositivos puede reducirse más disminuyendo espesor IL o mejorando calidad interfaz, y aumentando permitividad ZrO₂ con pasivación superficie, ej. plasma NH₃/H₂. Figura 3c compara J vs EOT características Ge nMOSFETs este trabajo contra valores otros dispositivos Ge reportados. Resultados consistentes con MOS Ge EOT ultra-delgado siguiendo mismas tendencias, indicando diferencia corriente fuga Fig. 3b atribuible principalmente a diferencia EOT.

Figura 4a muestra corrientes drenaje (I_D) y fuente (I_S) vs voltaje compuerta (V_GS) Ge nMOSFETs obleas A, B, C. Todos transistores longitud compuerta L_G 4 µm, ancho W 100 µm. Swing subumbral (SS) punto, definido dV_G/d(log I_D), función I_D calculado Fig. 4b. Transistor oblea A exhibe piso fuga I_D degradado y SS comparado dispositivos obleas B y C. Además aumento EOT dispositivos oblea A incrementaría SS, estos fenómenos atribuidos parcialmente a que dispositivo con capa Al₂O₃ insertada tiene mayor densidad trampas interfaz (D_it) dentro banda prohibida canal Ge comparado obleas B y C.

Figura 4c muestra características salida medidas, curvas I_D-V_D para varios valores sobrevoltaje compuerta |V_G-V_TH| demostrando transistor Ge oblea A logra corriente impulso significativamente mejorada comparado dispositivos obleas B y C. V_TH definido V_GS correspondiente I_D 10⁻⁷ A/µm. Considerando condiciones idénticas formación S/D, I_DS impulsado para transistores oblea A indica mayor µ_eff. Capa Al₂O₃ no ha degradado rendimiento D_it cerca banda conducción canal Ge.

Figura 5a muestra resistencia total R_tot función L_G Ge nMOSFETs dieléctrico ZrO₂ con L_G 2-10 µm. Valores R_tot extraídos sobrevoltaje compuerta 0.6 V y V_D 0.05 V. Resistencia S/D R_SD transistores extraída ~13.5 kΩ·µm, usando líneas ajustadas intersectando eje y. R_SD similar consistente con proceso idéntico PMA y formación S/D. Resistencia canal R_CH dispositivos obtenida pendiente líneas ajustadas ΔR_tot/ΔL_G, usada calcular características µ_eff Ge nMOSFETs. Para evaluar calidad interfaz, densidades trampas interfaz (D_it) extraídas ecuación método Hill: D_it = (2G_m,max/ω) / {qA[(G_m,max/ωC_ox) + (1 - C_m/C_ox)²]}. Valores D_it calculados: 3.7, 3.2, 2.3×10¹² eV⁻¹cm⁻² dispositivos obleas A, B, C respectivamente. Valores calculados corresponden D_it midgap. Dispositivo con Al₂O₃ IL oblea A tiene D_it midgap mayor comparado dispositivos obleas B y C. Consistente con Figs. 3a y 4a, mayor D_it midgap da mayor dispersión capacitancia depleción oblea A causando mayor corriente fuga I_DS comparado otras dos obleas. Nota oblea A debería tener menor D_it cerca banda prohibida conducción debido a su mayor µ_eff sobre obleas B y C.

Es conocido que µ_eff es cuello botella para alta corriente impulso y transconductancia Ge nMOSFETs. µ_eff calculable: µ_eff = 1/[W Q_inv (ΔR_tot/ΔL_G)], donde ΔR_tot/ΔL_G pendiente R_tot vs L_G Fig. 5a. Q_inv obtenible integrando curvas C_inv-V_G medidas. Fig. 5b compara µ_eff vs Q_inv Ge nMOSFETs obleas A, B, C con reportes previos. µ_eff pico extraído transistores obleas A y C: 795 y 682 cm²/Vs, oblea B: 433 cm²/Vs. Ge nMOSFETs con Al₂O₃ IL logran µ_eff significativamente mejorada comparado transistores oblea B o C, dispositivos reportados y movilidad universal Si en todo rango Q_inv. A Q_inv 5×10¹² cm⁻², 50% mejora µ_eff lograda dispositivos oblea A comparado movilidad universal Si. Demuestra que protegiendo superficie canal para prevenir intermix ZrO₂ y GeOₓ usando Al₂O₃, interfaz alta calidad entre aislante compuerta y Ge realizada para impulsar características movilidad, también reportado estudios previos Ge MOSFETs EOT ultra-delgado. µ_eff transistores oblea C mayor que Si universal a Q_inv 2.5×10¹² cm⁻², aunque decae rápido con aumento Q_inv. Indica oxidación O₃ antes deposición ZrO₂ mejora calidad interfacial en cierta medida; sin embargo, no conduce a superficie canal suficientemente plana para suprimir efectivamente dispersión rugosidad superficial portador a alto Q_inv debido a intermix ZrO₂ y GeOₓ, ya que se reporta generación vacancias oxígeno durante intermix aumentaría rugosidad orden corto alcance (SRO). Optimizar proceso oxidación O₃ o reducir espesor Al₂O₃ IL puede hacer transistor Ge lograr EOT reducido manteniendo mayor µ_eff alto Q_inv.

Conclusiones

Se investigan impactos estructura y morfología dieléctrico compuerta en características eléctricas Ge nMOSFET. Dieléctrico compuerta Al₂O₃/ZrO₂ proporciona µ_eff significativamente mejorada comparado movilidad universal Si. µ_eff puede mejorarse insertando capa Al₂O₃ entre ZrO₂ y canal Ge, lo que inevitablemente conduce a mayor EOT. Ge nMOSFETs sin Al₂O₃ con oxidación O₃ superficie Ge previo deposición ZrO₂ logran µ_eff pico 682 cm²/Vs superior a Si a Q_inv similar.

Disponibilidad Datos y Materiales

Conjuntos datos que apoyan conclusiones este artículo incluidos en artículo.

Abreviaturas

Ge:

Germanio

ZrO₂:

Dióxido de circonio

Al₂O₃:

Óxido de aluminio

O₃:

Ozono

Si:

Silicio

PMA:

Recocido post-metalización

PDA:

Recocido post-deposición

IL:

Capa interfacial

TiN:

Nitruro de titanio

MOSFETs:

Transistores efecto campo metal-óxido-semiconductor

ALD:

Deposición capa atómica

HF:

Ácido fluorhídrico

µ_eff:

Movilidad efectiva portadores

PPO:

Post-oxidación plasma

SS:

Swing subumbral

CET:

Espesor equivalente capacitancia

EOT:

Espesor óxido equivalente

Qinv:

Densidad carga inversión

HRTEM:

Microscopio electrónico transmisión alta resolución

Ni:

Níquel

GeOₓ:

Óxido de germanio

I_DS:

Corriente drenaje

V_GS:

Voltaje compuerta

V_TH:

Voltaje umbral