Ge pMOSFET dengan GeOx Passivation Dibentuk oleh Ozon dan Pasca Oksidasi Plasma
Abstrak
Studi perbandingan kinerja kelistrikan Ge pMOSFET dengan GeOx lapisan pasivasi yang dibentuk oleh ozon pasca oksidasi (OPO) dan pasca oksidasi plasma (PPO) dilakukan. PPO dan OPO dilakukan pada Al2 O3 /n-Ge (001) substrat diikuti oleh 5-nm HfO2 gerbang dielektrik in situ disimpan dalam ruang ALD. Kualitas lapisan antarmuka dielektrik/Ge dikarakterisasi dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X dan mikroskop elektron transmisi. Perawatan PPO mengarah ke tegangan ambang positif (VTH ) shift dan I . yang lebih rendah AKTIF /AkuMATI rasio, menyiratkan kualitas antarmuka yang buruk. Ge pMOSFET dengan OPO menunjukkan I . yang lebih tinggi AKTIF /AkuMATI rasio (hingga empat kali lipat), ayunan subthreshold yang ditingkatkan, dan karakteristik mobilitas pembawa yang ditingkatkan dibandingkan dengan perangkat PPO. Al2 . yang lebih tebal O3 lapisan blok dalam proses OPO mengarah ke mobilitas yang lebih tinggi dalam transistor Ge. Dengan membandingkan dua metode oksidasi yang berbeda, hasilnya menunjukkan bahwa OPO adalah cara yang efektif untuk meningkatkan kualitas lapisan antarmuka yang berkontribusi pada peningkatan mobilitas efektif Ge pMOSFET.
Latar Belakang
Dengan perangkat pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) konvensional yang mendekati batas fisiknya, peningkatan kinerja sulit diwujudkan untuk perangkat semikonduktor berkecepatan tinggi dengan silikon (Si) sebagai bahan saluran. Mengganti substrat atau material saluran dengan material lain yang memiliki mobilitas tinggi merupakan pilihan yang sangat penting. Germanium (Ge) telah dianggap sebagai bahan saluran alternatif yang menjanjikan karena mobilitas pembawa yang lebih tinggi daripada Si. MOSFET biasanya membutuhkan antarmuka oksida/semikonduktor berkualitas tinggi untuk mencapai mobilitas efektif yang tinggi. Namun, untuk sejarah yang cukup panjang, Ge MOSFET mengalami kepadatan antarmuka yang tinggi (Ditu ) yang disebabkan oleh stabilitas termal GeO2 . yang buruk dan ikatan yang menjuntai [1]. Dengan demikian, banyak penelitian telah dilakukan pada pasif antarmuka Ge.
Beberapa pendekatan untuk mencapai lapisan antarmuka Ge/dielektrik berkualitas tinggi telah dilaporkan, seperti pasivasi Si dengan mendepositkan secara seragam beberapa lapisan tunggal Si pada substrat Ge sebelum epitaksi dielektrik atau pasivasi sendiri dengan membentuk GeO2 sengaja [2, 3]. Untuk membentuk GeO2 berkualitas tinggi lapisan, ada banyak proses oksidasi untuk mengurangi Ditu dan meningkatkan stabilitas termal termasuk oksidasi tekanan tinggi [4], oksidasi ozon [5], H2 O plasma [6], dan plasma elektron cyclotron resonance (ECR) pasca oksidasi [7].
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak pekerjaan telah dilaporkan bahwa kinerja tinggi Ge MOSFET dapat diwujudkan dengan pasca oksidasi melalui Al2 O3 /Ge antarmuka. Pada tahun 2014, inverter Ge CMOS direalisasikan pada substrat Ge-on-insulator (GeOI) dengan GeOx ditumbuhkan dengan anil termal cepat dalam lingkungan oksigen murni setelah 1 nm Al2 O3 diendapkan pada Ge [8]. di ref. [7], Ge pMOSFET dan nMOSFET dengan GeOx pasivasi dibuat dengan plasma oksigen pasca oksidasi dan ketergantungan suhu GeOx ketebalan dan kinerja listrik juga dibahas. Oksidasi termal Ge oleh ozon dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah, karena ozon lebih reaktif daripada oksigen [5]. Dampak suhu pada GeOx Ketebalan yang ditumbuhkan oleh ozon pada permukaan Ge ditunjukkan. Dapatkan pMOSFET dengan GeOx pasivasi yang dibuat oleh ozon pasca oksidasi juga dilaporkan [9].
Dalam karya ini, Ge pMOSFET dengan GeOx pasivasi dibuat menggunakan ozon pasca oksidasi (OPO) dan pasca oksidasi plasma oksigen (PPO) dari Al2 O3 /n-Ge antarmuka. Studi perbandingan kinerja listrik Ge pMOSFET dengan OPO dan PPO dilakukan. Semua proses kecuali pasivasi dikontrol secara tepat agar sama. Oksidasi pasca dilakukan setelah Al2 O3 pengendapan lapisan blok yang berbeda dengan [9] yang pasca oksidasinya adalah setelah HfO2 endapan. Mekanisme degenerasi mobilitas Coulomb dan hamburan kekasaran diselidiki. Dampak dari ketebalan Al2 O3 lapisan blok pada kinerja perangkat juga dibahas. Secara keseluruhan, kami menunjukkan bahwa OPO adalah teknik pasivasi yang menjanjikan untuk fabrikasi Ge MOSFET di masa mendatang.
Metode
Ge pMOSFET dibuat pada 4-in. n-Ge (001) wafer dengan resistivitas 0,14–0,183 Ω cm. Tiga proses pasivasi yang berbeda dilakukan, dan langkah-langkah proses utama ditunjukkan pada Gambar 1a. Wafer dibersihkan dengan HF encer (1:50) dan air deionisasi selama beberapa siklus untuk menghilangkan oksida asli dan kemudian dipindahkan ke ruang deposisi lapisan atom yang ditingkatkan plasma PEALD (Picosun R200 Advanced) segera. Kemudian, Al2 . yang tipis O3 film (~ 1 nm) diendapkan pada 300 °C dengan trimetilaluminium (TMA) dan air deionisasi (H2 O) masing-masing sebagai prekursor Al dan O. Karena Al2 O3 /GeO2 lapisan terlalu tipis untuk memiliki rasio atom oksigen yang tepat, kami menandai kedua lapisan ini sebagai AlOx /GeOx . PPO dilakukan dengan sumber plasma jarak jauh Litmas selama 60 detik. Generator ozon (Generator Ozon seri AC DI AS) dengan aliran oksigen input 750 sccm digunakan untuk pengolahan OPO dalam 50% O3 /O2 Sekelilingnya. Tanpa memutus ruang hampa, 60 siklus HfO2 kemudian disimpan di atas AlOx /GeOx setelah perlakuan PPO atau OPO pada suhu 300 °C menggunakan tetrakis dimethyl amino hafnium (TDMAHf) dan H2 O masing-masing sebagai prekursor Hf dan O. Sebuah TaN 100-nm kemudian diendapkan oleh sputtering reaktif sebagai logam gerbang. Setelah pola dan etsa gerbang, BF yang diselaraskan sendiri
2+
implantasi ke daerah source/drain(S/D) dengan energi 20 keV dan dosis 1 × 10
15
cm
− 2
dilakukan. Logam Ni S/D 20 nm diendapkan dan dipola dengan proses pengangkatan. Akhirnya, anil termal cepat pada 450 °C selama 30 s untuk aktivasi dopan dan kontak ohmik S/D diikuti. Gambar skema dan mikroskop dari Ge pMOSFET yang dibuat masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 1b dan c.
a Alur proses utama untuk membuat pMOSFET Ge dengan GeO2 pasif permukaan dengan tiga metode pasif yang berbeda. b Skema dan c gambar mikroskop dari transistor Ge buatan
Penampang TaN/HfO2 /AlOx /GeOx /Ge gate stack digambarkan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk membandingkan dampak plasma oksigen atau ozon pada GeOx pembentukan. Gambar 2a dan b menunjukkan gambar TEM penampang TaN/HfO2 /AlOx /GeOx /Ge gate stack masing-masing dengan PPO dan OPO. Ketebalan HfO amorf2 lapisan di kedua perangkat adalah 6 nm. Wafer A dengan perlakuan PPO 60-an memiliki AlOx . yang berbeda /GeOx lapisan antara HfO2 dan substrat Ge. AlO inix /GeOx lapisan dalam wafer B yang dibentuk oleh OPO 20 min memiliki margin yang tidak rapi. Ketebalan GeOx layer sesuai dengan data di [10].
Gambar TEM penampang dari tumpukan gerbang k/logam tinggi dengan AlOx /GeOx lapisan antarmuka (IL) dibuat oleh a OPO dan b PPO di saluran n-Ge (001)
Hasil dan Diskusi
Karakteristik keluaran dan transfer yang digabungkan dengan tegangan kapasitansi gerbang-ke-sumber frekuensi tinggi (CV) diukur dengan Keithley 4200-SCS. Gambar 3 menunjukkan perbandingan karakteristik transfer dan keluaran Ge pMOSFET dengan tiga kondisi pembentukan AlOx yang berbeda /GeOx lapisan pasif. Semua perangkat di berbagai wafer memiliki panjang gerbang (LG ) sebesar 3 μm. Perangkat pada wafer A menunjukkan arus pembuangan jenuh yang lebih tinggi (IDS ) dibandingkan dengan dua wafer lainnya. Tapi wafer B dan C dengan OPO menunjukkan arus OFF-state yang jauh lebih rendah (IMATI ) dibandingkan dengan wafer A dengan PPO. Terlihat juga bahwa wafer B dan C dengan OPO bekerja dalam mode peningkatan dan wafer A bekerja dalam mode penipisan. Disimpulkan bahwa, setelah perlakuan PPO, permukaan n-Ge masih tetap menjadi tipe-p karena tingginya Ditu nilai yang telah dibahas pada [11]. Wafer C dengan Al2 yang lebih tebal O3 lapisan blok menunjukkan V . positif TH shift dibandingkan dengan wafer B dan D . yang lebih tinggi itu daripada wafer B. Hal ini diamati dari karakteristik output yang ditunjukkan pada Gambar. 3b bahwa, di bawah tegangan gerbang rendah (VGS ), wafer A memiliki I . yang lebih rendah DS atas wafer B dan C karena ayunan subthreshold (SS) yang kurang curam. Ketika VGS meningkat, AkuDS wafer A semakin tinggi dibandingkan dengan dua perangkat lainnya. Oleh karena itu, dari Gambar 3 dan gambar TEM pada Gambar 2, difusi AlOx /GeOx lapisan dapat menekan IMATI , sehingga menghasilkan peningkatan efek pasif.
aAkuDS–VGS dan bAkuDS–VDS karakteristik Ge pMOSFET dengan Al2 O3 /GeO2 lapisan pasivasi dibuat oleh PPO (wafer A) dan OPO (wafer B dan C)
Gambar 4 merangkum hasil statistik dari IAKTIF /AkuMATI rasio dan ayunan subthreshold perangkat pada wafer yang berbeda. Ge pMOSFET dengan OPO menunjukkan I . yang lebih tinggi AKTIF /AkuMATI rasio (~ 4 kali lipat) dan SS yang sangat meningkat dibandingkan dengan perangkat PPO, menunjukkan kualitas antarmuka dielektrik/saluran yang lebih tinggi. Jika dibandingkan dengan wafer B, wafer C menunjukkan arus ON-state yang lebih tinggi (IAKTIF ) tetapi I . yang lebih rendah AKTIF /AkuMATI rasio.
Plot statistik a SS dan bAkuAKTIF/AkuMATI rasio untuk Ge pMOSFET dengan kondisi pasivasi yang berbeda
Untuk lebih mewakili kualitas lapisan antarmuka metode pasca oksidasi yang berbeda, wafer A, B, dan C (sampel dummy tanpa HfO2 dan logam Gerbang) diuji dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Pengukuran XPS dilakukan pada tiga sampel dummy pasca oksidasi setelah perlakuan PPO atau OPO tanpa HfO2 pengendapan dan taN sputtering. Stoikiometri GeOx di Al2 O3 Sampel /GeO/Ge diselidiki dengan sumber sinar-X Al Kα (1486,6 eV) monokromatik yang lembut. Ge 3d puncak dan analisis pembeda puncak ditunjukkan pada Gambar. 5. Ge 3d5/2 puncak dari tiga sampel bersatu pada 29,7 eV, dan pergeseran kimia Ge 3d3/2 , Ge
1+
, Ge
2+
, Ge
3+
, dan Ge
4+
ke Ge 3d5/2 diatur ke 0,6, 0,8, 1,8, 2,75, dan 3,4 eV, masing-masing [12]. Pada Gambar. 5b, wafer A menunjukkan bahwa setelah PPO 60-an, valensi Ge utama dalam GeOx adalah Ge
1+
dan Ge
3+
. Distribusi status kelambanan Ge yang serupa diamati pada wafer C, dan Ge
3+
komponen sedikit meningkat. Pada Gambar 5b, wafer B menunjukkan bahwa perangkat OPO dengan pengencer (10 siklus) Al2 O3 selanjutnya akan mengoksidasi Ge
1+
ke Ge
2+
, Ge
3+
, dan Ge
4+
, sedangkan Ge
1+
berkurang secara signifikan.
a Ge 3d Spektrum XPS dari Al2 O3 /GeOx /Ge dibentuk oleh kondisi yang berbeda. b Perlengkapan puncak Ge 3d Spektrum XPS dari GeO2 lapisan untuk tiga sampel
Karakteristik CV gerbang-ke-sumber ditunjukkan pada Gambar. 6. Dari kurva CV 1-MHz, Ditu dekat midgap diperkirakan oleh Terman's metode [13], dan nilai ketebalan oksida ekivalen (EOT) juga dievaluasi seperti yang tercantum pada Tabel 1. OPO (wafer B dan C) dua puluh menit menghasilkan EOT yang lebih tinggi dibandingkan dengan PPO (wafer A). Wafer C menunjukkan EOT yang lebih tinggi daripada wafer B, karena Al2 yang lebih tebal O3 sebagai lapisan pemblokiran. Telah dilaporkan bahwa ketebalan GeOx pada permukaan Ge telanjang di O3 ambient mencapai kejenuhan dalam beberapa menit dan ketebalan saturasi didominasi oleh suhu bukan waktu oksidasi [10]. Jadi dalam makalah ini, ketebalan GeOx oleh ozon pasca oksidasi jenuh setelah beberapa menit dan waktu oksidasi yang tersisa hanya untuk anil.
Kapasitansi gerbang-ke-sumber versus VGS karakteristik Ge pMOSFET yang dipasifkan oleh PPO (wafer A) dan OPO (wafer B dan C)
Gambar 7 merangkum resistansi total (RB ) versus LG dari setiap perangkat dalam pekerjaan ini. Di sini, RB didefinisikan sebagai VDS /AkuDS di VDS = 0,05 V dan VGSVTH = 1 V. Resistansi seri sumber/pembuangan (S/D) (RSD ) dan resistansi saluran (RCH ) dapat diekstraksi dari intersep dan kemiringan pemasangan linier RB –LG garis seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Ekstrak RSD dan RCH hasilnya dirangkum dalam Tabel 1. Gambar 7 menunjukkan bahwa Ge pMOSFET dengan PPO menunjukkan R yang lebih rendah SD dan RCH yang konsisten dengan hasil kapasitansi yang ditunjukkan pada Gambar. 6.
Resistensi total (RB ) versus panjang gerbang (LG ) dari Ge pMOSFET
Mobilitas lubang yang efektif μeff diekstraksi berdasarkan pendekatan berbasis lereng resistensi total. Pada Gambar. 8, kami membandingkan μeff pMOSFET Ge kami dengan pengobatan PPO dan OPO dengan pMOSFET Ge lainnya yang dilaporkan [9, 14]. Tinv adalah kepadatan muatan inversi di saluran perangkat. Ge pMOSFET dengan OPO menunjukkan puncak yang lebih tinggi μeff dibandingkan dengan perangkat dengan PPO. Wafer C dengan Al2 yang lebih tebal O3 lapisan blok memiliki mobilitas lubang puncak yang lebih tinggi yaitu 283 cm
2
/V s dibandingkan dengan wafer B dengan Al2 . yang lebih tipis O3 . Wafer A dengan PPO menunjukkan lubang medan tinggi yang lebih rendah μeff dengan perangkat dengan OPO, yang dikaitkan dengan hamburan kekasaran yang lebih rendah. Namun, pada medan rendah, transistor pada wafer A dengan PPO mencapai nilai yang lebih rendah μeff daripada perangkat OPO karena hamburan coulomb yang lebih tinggi [15]. Hanya beberapa karya tentang Ge pMOSFET yang dibuat oleh pasif ozon telah dilaporkan. Di sini, perbandingan kinerja perangkat utama antara perangkat kami dan pMOSFET Ge yang dilaporkan yang diobati dengan OPO [9, 14] dilakukan, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2. Disimpulkan bahwa wafer C dalam pekerjaan ini mencapai tinggi -bidang μeff peningkatan dan lebih tinggi IAKTIF /AkuMATI dibandingkan dengan perangkat yang dilaporkan diobati dengan OPO. Selain itu, di Qinv dari 5 × 10
12
cm
− 2
, wafer C menunjukkan 2,37× lebih tinggi μeff dibandingkan dengan mobilitas universal Si. AkuAKTIF wafer C sedikit lebih rendah dari pada Ref. [9] yang disebabkan oleh EOT yang lebih besar.
μeff versus Qinv dari Ge pMOSFET dengan kondisi pasivasi yang berbeda. Transistor Ge dengan 15 siklus Al2 O3 + 20 min O3 oksidasi (wafer C) menunjukkan puncak μeff dari 283 cm
2
/Vs. Dampak resistensi S/D pada μeff ekstraksi dihilangkan dengan metode ekstraksi mobilitas saluran efektif berbasis kemiringan lereng total [16]
Kesimpulan
Ge pMOSFET diwujudkan dengan GeOx pasivasi, yang dibentuk oleh perlakuan OPO atau PPO terhadap Al2 O3 /n-Ge di PEALD. Perangkat OPO menunjukkan karakteristik transfer dan output yang lebih baik, semakin tinggi IAKTIF /AkuMATI rasio, ayunan subthreshold yang ditingkatkan, dan puncak yang lebih tinggi μeff dibandingkan dengan perangkat PPO. Untuk proses OPO 15 siklus, Al2 . yang lebih tebal O3 lapisan mengarah ke nilai EOT yang lebih tinggi dan peningkatan μeff di perangkat dibandingkan dengan kasus 10-siklus. Semua hasil dalam pekerjaan ini menunjukkan bahwa OPO adalah cara pasif yang efektif untuk mencapai antarmuka Ge/dielektrik berkualitas tinggi dan dengan demikian dapat menjadi kandidat teknik pasivasi yang menjanjikan untuk fabrikasi Ge MOSFET di masa mendatang.
