pMOSFET Germanium Berkinerja Tinggi melalui Passivasi GeOₓ Diinduksi Ozon: Analisis Komparatif dengan Post-Oksidasi Plasma
Abstrak
Kami membandingkan performa listrik pMOSFET germanium yang menerima lapisan passivasi GeOx yang dibentuk oleh post-oksidasi ozon (OPO) atau post-oksidasi plasma (PPO). Keduanya diterapkan pada substrat Al2O3/n-Ge (001), diikuti oleh dielektrik gate HfO2 5 nm yang ditetapkan in situ oleh ALD. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dan mikroskop transmisi elektron (TEM) mengonfirmasi bahwa perawatan PPO memperkenalkan perpindahan tegangan ambang positif dan rasio ION/IOFF yang lebih rendah, yang menunjukkan antarmuka yang degradasi. Sebaliknya, OPO menghasilkan rasio ION/IOFF yang lebih tinggi empat orde magnitud, ambang turun yang lebih tajam, dan mobilitas pembawa yang unggul. Lapisan pemblokir Al2O3 yang lebih tebal dalam proses OPO lebih meningkatkan mobilitas. Secara keseluruhan, OPO menyediakan jalur yang lebih efektif menuju antarmuka Ge/oksida berkualitas tinggi dan mobilitas efektif yang ditingkatkan dalam pMOSFET Ge.
Latar Belakang
Perangkat CMOS konvensional mendekati batas fisiknya, membuat sulit untuk meningkatkan performa dengan silikon saja. Germanium, dengan mobilitas pembawa yang lebih tinggi, telah muncul sebagai bahan saluran yang menjanjikan, tetapi mencapai kepadatan status antarmuka (Dit) yang rendah masih merupakan tantangan karena ketidakstabilan GeO2 dan bond renggang. Banyak strategi telah dieksplorasi untuk mempassivasi antarmuka Ge/dielektrik, seperti menyetapkan monolapisan silikon terlebih dahulu atau merancang passivasi mandiri melalui pertumbuhan GeO2 sengaja. Teknik oksidasi—termasuk oksidasi tekanan tinggi, ozon, plasma H2O, dan plasma resonansi siklus elektron (ECR)—telah digunakan untuk mengurangi Dit dan meningkatkan stabilitas termal.
Studi terbaru telah menunjukkan pMOSFET Ge berkinerja tinggi melalui post-oksidasi melalui antarmuka Al2O3/Ge. Misalnya, inverter CMOS Ge pada Ge-on-insulator (GeOI) menggunakan anoda termal cepat dalam O2> murni untuk menumbuhkan GeOx setelah lapisan Al2O3 1 nm. Oksidasi ozon, yang lebih reaktif dari O2, memungkinkan pertumbuhan suhu lebih rendah, dan telah menunjukkan untuk meningkatkan kontrol ketebalan GeOx dan performa perangkat. Namun, perbandingan sistematis antara ozon dan post-oksidasi plasma pada antarmuka Al2O3/n-Ge yang sama belum tersedia.
Dalam karya ini, kami memproduksi pMOSFET Ge menggunakan OPO dan PPO pada antarmuka Al2O3/n-Ge dan membandingkan karakteristik listriknya. Semua langkah proses lainnya identik. Pengaruh ketebalan lapisan pemblokir Al2O3 dan mekanisme degradasi mobilitas yang mendasarinya juga diperiksa. Hasil kami menunjukkan bahwa OPO adalah metode passivasi yang lebih unggul untuk teknologi Ge MOSFET masa depan.
Metode
pMOSFET Ge diproduksi pada wafer n-Ge (001) 4 inci (resistivitas 0,14–0,183 Ω cm). Setelah pembersihan HF cair (1:50), film Al2O3 ~1 nm ditetapkan pada 300 °C oleh ALD yang ditingkatkan plasma (PEALD) menggunakan trimetilaluminium (TMA) dan H2O. Lapisan antarmuka Al2O3/GeO2 tipis (denotasi AlOx/GeOx) kemudian diberi subjek kepada 60 detik oksidasi plasma oksigen (PPO) melalui sumber plasma jarak atau perawatan ozon (OPO) 20 menit dalam campuran 50 % O3/O2. Segera setelah oksidasi, dielektrik gate HfO2 5 nm ditetapkan pada 300 °C oleh ALD (60 siklus, menggunakan TDMAHf dan H2O). Logam gate TaN 100 nm disputter, diikuti oleh litografi dan etching. Wilayah sumber/drain diimplan BF2+ yang terselaraskan sendiri (20 keV, 1 × 1015 cm−2), dicap dengan Ni 20 nm, dan diaktifkan oleh anoda termal cepat pada 450 °C selama 30 detik.
a Alur proses untuk pembuatan pMOSFET Ge dengan tiga metode passivasi. b Skematik dan c citra SEM dari transistor yang diproduksi.
Citra TEM penampang menunjukkan tumpukan gate TaN/HfO2/AlOx/GeOx/Ge untuk PPO dan OPO. Dalam sampel PPO, lapisan antarmuka AlOx/GeOx yang terpisah memisahkan HfO2 dari Ge, sedangkan sampel OPO menunjukkan antarmuka yang lebih difus, konsisten dengan laporan literatur tentang ketebalan GeO2.
TEM penampang tumpukan gate high-k/logam dengan (a) lapisan antarmuka AlOx/GeOx yang dibentuk OPO dan (b) PPO pada n-Ge (001).
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi perangkat dilakukan dengan sistem Keithley 4200-SCS. Semua transistor memiliki panjang gate 3 µm. Perangkat PPO (wafer A) menunjukkan arus drain terpuas yang lebih tinggi tetapi juga arus keadaan off yang lebih tinggi dibandingkan perangkat OPO (wafer B dan C). Pentingnya, perangkat OPO bekerja dalam mode peningkatan, sedangkan perangkat PPO tetap dalam mode depleksi, yang menunjukkan karakteristik tipe-p yang tersisa karena Dit yang lebih tinggi.
a IDS–VGS dan b IDS–VDS untuk PPO (wafer A) dan OPO (wafer B, C) pMOSFET Ge.
Analisis statistik rasio ION/IOFF dan ambang turun (SS) mengonfirmasi bahwa perangkat OPO mencapai rasio ION/IOFF hingga empat orde magnitud lebih tinggi dan SS yang lebih tajam, yang mencerminkan antarmuka yang lebih bersih. Peningkatan ketebalan lapisan pemblokir Al2O3 dari 10 ke 15 siklus meningkatkan arus keadaan on tetapi mengurangi rasio ION/IOFF karena ketebalan oksida setara (EOT) yang lebih besar.
Plot statistik a SS dan b ION/IOFF untuk perangkat PPO versus OPO.
Pengukuran XPS pada sampel dummy (tanpa HfO2 dan TaN) mengungkapkan bahwa PPO menghasilkan lapisan GeOx yang didominasi oleh spesies Ge1+ dan Ge3+, sementara OPO menghasilkan distribusi status oksidasi yang lebih tinggi, mengurangi komponen Ge1+ dan menunjukkan pembentukan GeO2 yang lebih sempurna.
a Spektra XPS Ge 3d untuk Al2O3/GeOx/Ge dalam kondisi PPO, OPO-10, dan OPO-15. b Pemasangan puncak spektra Ge 3d.
Pengukuran C-V gate-ke-sumber pada 1 MHz menunjukkan bahwa proses OPO menghasilkan EOT yang lebih tinggi dibandingkan PPO, dengan OPO 15 siklus (wafer C) menunjukkan EOT terbesar. Ini dikaitkan dengan lapisan pemblokir Al2O3 yang lebih tebal. Meski EOT lebih tinggi, perangkat OPO mempertahankan SS dan mobilitas yang unggul.
C-V gate-ke-sumber perangkat PPO (wafer A) dan OPO (wafer B, C).
Analisis total resistensi (RT) versus panjang gate menunjukkan bahwa perangkat PPO memiliki resistensi seri dan saluran yang lebih rendah, konsisten dengan data C-V. Namun, RSD dan RCH yang lebih tinggi untuk perangkat OPO dikompensasi oleh mobilitas yang ditingkatkan.
RT versus LG untuk tiga jenis perangkat.
Mobilitas lubang efektif (μeff) diekstrak dari kemiringan total resistensi. Perangkat OPO menunjukkan puncak μeff yang lebih tinggi daripada PPO, dengan wafer C (OPO 15 siklus) mencapai 283 cm2/Vs. Dibandingkan dengan literatur, ini mewakili peningkatan 2,37× dibandingkan mobilitas universal silikon pada kepadatan muatan inversi 5 × 1012 cm−2. Keuntungan mobilitas dikaitkan dengan penurunan penyebaran Coulomb dan kualitas antarmuka yang lebih baik.
μeff versus Qinv untuk perangkat PPO dan OPO. OPO 15 siklus (wafer C) mencapai puncak μeff 283 cm2/Vs.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa pMOSFET Ge dengan passivasi GeOx yang diproduksi melalui post-oksidasi ozon lebih unggul daripada yang menggunakan post-oksidasi plasma. OPO menghasilkan rasio ION/IOFF yang lebih tinggi, ambang turun yang lebih tajam, dan puncak μeff yang unggul. Peningkatan ketebalan lapisan pemblokir Al2O3 dalam proses OPO meningkatkan mobilitas dengan biaya EOT yang lebih besar. Temuan ini mengonfirmasi bahwa OPO adalah strategi passivasi yang efektif untuk antarmuka Ge/oksida berkualitas tinggi, menjadikannya calon yang menjanjikan untuk teknologi Ge MOSFET generasi mendatang.
