Menurunkan Hambatan Kontak Logam-Ge dengan Lapis Antarmuka ZnO dan Plasma Argon: Kontak Al Ohmi pada n-Ge
Abstrak
Kami menyajikan studi sistematis kontak insulator-semikonduktor logam (MIS) pada n-Ge yang menyisipkan lapisan antarmuka ZnO tipis untuk menekan penangkap level Fermi (FLP) pada antarmuka logam/Ge. Offset konduksi band 0,22 eV antara ZnO dan n-Ge diamati, yang, bersama dengan lapisan antarmuka, menghasilkan penurunan yang signifikan dalam hambatan kontak (Rc) dibandingkan dengan perangkat tanpa ZnO. Perawatan plasma Argon (Ar) pada ZnO lebih meningkatkan Rc dengan meningkatkan konsentrasi rongga oksigen (Vo), yang bertindak sebagai dopan tipe-n. Perilaku Ohmi dicapai untuk Al/ZnO/n-Ge dengan konsentrasi pembawa Ge 3 × 1016 cm−3. Untuk n+-Ge yang terdotasi berat (P+ diimplantasi), resistivitas kontak spesifik 2,86 × 10−5 Ω cm2 tercapai dengan ZnO yang diobati plasma Ar.
Latar Belakang
Germanium menawarkan mobilitas pembawa yang lebih baik dibandingkan silikon, menjadikannya kandidat utama untuk MOSFET tingkat lanjut [1, 2]. Sementara kemajuan dalam saluran Ge yang ditegang, passivasi permukaan, dan kontak sumber/saluran telah menghasilkan Ge p-FinFET ultra-skala yang mengalahkan saingan Si [3–11], perangkat n-channel Ge masih berjuang dengan kualitas antarmuka yang buruk, aktivasi dopan tipe-n yang terbatas, dan FLP yang kuat yang meningkatkan tinggi hambatan Schottky hingga ~0,5 eV untuk sebagian besar logam pada n-Ge [13–15].
Penyisipan lapisan antarmuka tipis seperti TiO2 [16] atau ZnO [17] dapat melepaskan level Fermi dengan memblokir negara gap yang diinduksi logam (MIGS) [18, 19, 20]. ZnO sangat menarik karena memiliki offset band konduksi yang kecil dengan Ge, memungkinkan wilayah depletasi yang lebih tipis dan potensi Rc yang lebih rendah dibandingkan TiO2 (yang memiliki offset positif) [16]. Selain itu, ZnO dapat dengan mudah di-dop n melalui rongga oksigen (Vo), yang lebih mengurangi lebar depletasi. Pendekatan konvensional untuk menciptakan rongga dengan anoda nitrogen berisiko interdifusi dan migrasi dopan, memerlukan pendekatan suhu rendah [23–25].
Karya ini mengeksplorasi mitigasi FLP menggunakan lapisan antarmuka ZnO yang ditumbuhkan ALD dan menyelidiki dampak perawatan plasma Ar terhadap hambatan kontak Al/ZnO/n-Ge.
Metode
Kontak logam dibuat pada wafer n-Ge(001) yang terdotasi ringan (≈3 × 1016 cm−3) dan terdotasi berat n-Ge. Yang terakhir dihasilkan oleh implantasi P+ 30 keV (1 × 1015 cm−2) diikuti dengan anoda termal cepat 600 °c, 60 detik. Setelah pembersihan dengan air deionisasi dan HCl cair, wafer dipindahkan ke kamar ALD (Beneq TSF-200) untuk menitipkan ZnO pada 150 °c menggunakan precursor DEZn dan H2O. Tiga ketebalan ZnO (1, 2, 3 nm) diperiksa; ketebalan diverifikasi oleh elipsometri spektroskopi (SE). Kontak Al ditampulkan dan diformir dengan lift-off. Beberapa film ZnO menerima perawatan plasma Ar (50 W, 60 sccm, 45 detik). Hambatan kontak diekstrak menggunakan metode garis transmisi lingkaran (CTLM); ZnO yang terpapar di-gores sepenuhnya untuk mengisolasi perangkat [16]. Pengukuran listrik menggunakan Keithley 4200 SCS. Analisis struktural dan kimia menggunakan HRTEM, XPS, dan spektroskopi UV-VIS (PerkinElmer LAMBDA 950) untuk menentukan band gap ZnO.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Material Al/ZnO/n-Ge
Gambar 1 menunjukkan spektral valensi XPS untuk ZnO massal, antarmuka ZnO/Ge, dan Ge murni, yang memungkinkan penentuan offset valensi band (VBO) sebesar 2,33 eV. Gabungan dengan band gap ZnO 3,21 eV (Gambar 2a), offset konduksi band (CBO) pada ZnO/Ge adalah 0,22 eV (Gambar 2b), mengonfirmasi penindasan FLP yang efektif. HRTEM (Gambar 3) mengungkapkan lapisan ZnO amorf 3 nm yang seragam yang mengikuti permukaan Al dan Ge, dengan selaput GeOx antarmuka tipis (<3 nm) yang terbentuk pada suhu penitipan 150 °c.
Perawatan plasma Ar meningkatkan kepadatan rongga oksigen, seperti yang ditunjukkan oleh pergeseran puncak O 1s ke energi ikatan yang lebih rendah dalam XPS (Gambar 4). Pengayaan rongga ini mengurangi hambatan tunnel dan hambatan seri pada antarmuka Al/ZnO, secara langsung berkontribusi pada Rc yang lebih rendah [36]. Setelah plasma, VBO menurun sebesar 0,05 eV (Gambar 5), menunjukkan CBO sebesar 0,17 eV dan mitigasi FLP yang lebih lanjut.
Performa Listrik Kontak Al/ZnO/n-Ge
Pengukuran arus-tegangan (Gambar 6a) menunjukkan bahwa perangkat Al/n-Ge tanpa ZnO menunjukkan perilaku memutar karena FLP, sedangkan perangkat Al/ZnO/n-Ge menampilkan arus balik yang ditingkatkan dan tinggi hambatan yang lebih rendah. Ketebalan ZnO 2 nm menyeimbangkan penindasan MIGS dan hambatan seri, menghasilkan performa optimal. Perawatan plasma Ar pada lapisan ZnO 2 nm meningkatkan arus maju dan balik (Gambar 6b), mengonfirmasi peran dopan yang diinduksi oleh rongga.
Perilaku Ohmi dicapai untuk Al/2 nm ZnO/n-Ge di berbagai rentang waktu paparan plasma (15–60 detik). Total hambatan Rtot berkurang seiring dengan durasi plasma, mencapai resistivitas kontak spesifik 3,66 × 10−3 Ω cm2 setelah 45 detik (Gambar 8). Hambatan saluran Ge tetap tidak berubah, menunjukkan bahwa plasma secara selektif men-dop ZnO alih-alih substrat Ge.
Untuk n+-Ge yang terdotasi berat, kontak Al/2 nm ZnO (diobati plasma 45 detik) menunjukkan perilaku Ohmi yang sangat baik (Gambar 9). Nilai yang diekstrak adalah hambatan saluran 64 Ω/□ dan resistivitas kontak spesifik 2,86 × 10−5 Ω cm2, mengalahkan kontak logam/Ge yang dilaporkan sebelumnya seperti Ni/GeSn, Ni/Ge, dan Ti/TiO2/GeO2/Ge [40–43]. Performa unggul ini dikaitkan dengan lapisan antarmuka ZnO yang tipis dan terdotasi tinggi serta penurunan FLP.
Kesimpulan
Penyisipan lapisan antarmuka ZnO tipis secara efektif melepaskan level Fermi dalam struktur Al/ZnO/n-Ge, seperti yang dikonfirmasi oleh penyelarasan band XPS. Perawatan plasma Ar lebih meningkatkan konsentrasi rongga oksigen, meningkatkan dopan tipe-n ZnO dan secara dramatis mengurangi hambatan kontak. Kontak Al Ohmi dicapai pada n-Ge terdotasi ringan dan berat, dengan resistivitas spesifik 3,66 × 10−3 Ω cm2 (n-Ge) dan 2,86 × 10−5 Ω cm2 (n+-Ge) ketika ZnO diobati plasma pada 50 W selama 45 detik.
