Mosfet Ge Mobilitas Tinggi dengan Dielektrik ZrO2:Dampak Pasca Annealing

Hasil dan Diskusi

Kapasitansi inversi C _inv vs. V _GS kurva diukur pada frekuensi 300 kHz untuk perangkat pada wafer I ditunjukkan pada Gambar. 2. Nilai CET diekstraksi menjadi 1,95, 1,80, 1,67, dan 1,52 nm untuk perangkat dengan PMA pada 350, 400, 450, dan 500 °C, masing-masing. CET yang lebih kecil dicapai pada suhu PMA yang lebih tinggi karena kristalisasi ZrO₂ . Secara umum, nilai untuk ZrO amorf dan kristal₂ sekitar 20–23 dan 28–30, masing-masing. ZrO kristal setebal 5 nm₂ menyumbang EOT ~ 0.7 nm. Pergeseran C-V kurva dengan berbagai suhu PMA disebabkan oleh fakta bahwa kristalisasi mengurangi kepadatan perangkap massal di ZrO₂ dielektrik.

Pembalikan C _inv -V _GS kurva untuk Ge pMOSFET pada wafer I dengan PMA pada 350 °C, 400 °C, 450 °C, dan 500 °C

Gambar 3a menunjukkan karakteristik transfer terukur dan arus bocor gerbang I _G dari Ge pMOSFET pada wafer I dengan suhu PMA yang berbeda. Semua perangkat memiliki panjang gerbang L _G dari 4 μm dan lebar gerbang W dari 100 μm. Ge pMOSFET menunjukkan I . yang jauh lebih rendah _G dibandingkan dengan Aku _DS untuk semua suhu PMA. Sebuah Aku _AKTIF /Aku _MATI rasio di atas 10 ⁴ dicapai untuk perangkat dengan PMA pada 500 °C. Aku _DS -V _DS kurva perangkat yang diukur pada overdrive gerbang yang berbeda |V _GS -V _TH | ditunjukkan pada Gambar. 3b. Perlu dicatat bahwa tegangan ambang V _TH didefinisikan sebagai V _GS di Aku _DS dari 10 ⁻⁷ A/μm. Transistor Ge dengan PMA pada 500 °C memperoleh ~ 47% dan 118% peningkatan arus penggerak dibandingkan dengan perangkat yang dianil pada 450 °C dan 350 °C, masing-masing, pada V _DS dari 1.0 V dan a |V _GS -V _TH | 0.8 V. Gambar 3c menunjukkan plot statistik dari I _AKTIF di V _DS dari 0,5 V dan V _GS -V _TH 1 V untuk Ge pMOSFET dengan berbagai suhu PMA. Semua transistor di plot ini memiliki L _G dari 4 μm dan W dari 100 μm. Perangkat dengan PMA pada 500 °C menunjukkan peningkatan I _AKTIF dibandingkan dengan suhu PMA yang lebih rendah, yang dikaitkan dengan penurunan resistensi S/D, penurunan CET, dan μ yang lebih tinggi _eff , yang akan dibahas nanti.

a Mengukur I _D , Aku _S , dan Aku _G vs. V _GS kurva Ge pMOSFET pada wafer I dengan PMA pada 350, 400, 450, dan 500 °C. b Aku _DS -V _DS kurva diukur pada V . yang berbeda _GS -V _TH untuk perangkat. c Perangkat yang dianil pada 500 °C memiliki arus on-state yang lebih tinggi I _AKTIF dibandingkan dengan transistor dengan PMA pada suhu yang lebih rendah

Gambar 4 menunjukkan plot statistik midgap D _itu , SS, dan V _TH karakteristik untuk perangkat dengan suhu PMA yang berbeda. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4a, berdasarkan metode konduktansi maksimum [17], celah tengah D _itu nilai diekstraksi menjadi 1,3 × 10 ¹³ , 9,5 × 10 ¹² , 9.2 × 10 ¹² , dan 6,3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ untuk perangkat dengan PMA pada 350, 400, 450, dan 500 °C, masing-masing. Gambar 4b menunjukkan bahwa pMOSFET Ge yang dianil pada 500 °C memiliki karakteristik SS yang lebih baik daripada transistor yang dianil pada suhu yang lebih rendah, karena celah tengah yang lebih kecil D _itu dan CET. Nilai D _itu dan SS dari Ge pMOSFET dengan PMA masih lebih tinggi daripada transistor Ge yang dilaporkan terbaik. Ini mungkin dapat dikurangi dengan mengoptimalkan modul pasivasi OPO, misalnya, Al₂ O₃ ketebalan dan suhu dan durasi oksidasi ozon. V _TH bergeser ke positif V _GS dengan meningkatnya suhu PMA, yang berasal dari penurunan CET dan D _itu . Disimpulkan bahwa kinerja listrik terbaik dicapai untuk Ge pMOSFET dengan PMA pada 500 °C.

Perbandingan a celah tengah D _itu , b SS, dan c V _TH untuk Ge pMOSFET pada wafer I dengan PMA pada 350, 400, 450, dan 500 °C

μ _eff , sebagai faktor penting yang mempengaruhi arus penggerak perangkat dan transkonduktansi dalam Ge pMOSFET, diukur menggunakan R _tot /ΔL _G metode [18]. Sejumlah besar perangkat diukur dengan L _G berkisar antara 1,5 hingga 9 μm. Gambar 5a mengilustrasikan hambatan total R _tot diekstraksi di |V _GS -V _TH | dari 1 V dan V _DS dari 0,05 V sebagai fungsi dari L _G . R _SD adalah nilai di mana garis yang dipasang berpotongan di y -sumbu. R _SD nilai diperkirakan sekitar 7,85, 7,15, 6,10, dan 4,35  kΩ ·μm untuk perangkat dengan PMA masing-masing pada 350, 400, 450, dan 500 °C. Ini menunjukkan aktivasi dopan S/D yang lebih baik pada suhu PMA yang lebih tinggi. μ _eff dapat diekstraksi dengan μ _eff = 1/[WQ _inv (ΔR _tot /ΔL _G )], di mana Q _inv adalah densitas muatan inversi dalam saluran Ge dan ΔR _tot /ΔL _G adalah kemiringan R _tot vs. L _G seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. R . yang lebih kecil _tot /ΔL _G untuk perangkat dengan PMA pada 500 °C menunjukkan peningkatan dalam μ _eff dibandingkan dengan transistor dengan PMA pada 450 °C. Gambar 5b menunjukkan μ _eff sebagai fungsi dari Q _inv kurva, diekstraksi menggunakan split C -V metode. Mobilitas lubang puncak adalah 384 cm ² /V ·s untuk perangkat dengan PMA pada 500 °C, yang 31% lebih tinggi dari perangkat dengan PMA pada 400 °C. Dengan Q high yang tinggi _inv dari 1 × 10 ¹³ cm ⁻² , Ge pMOSFET yang menjalani PMA pada 500 °C mencapai peningkatan mobilitas dibandingkan dengan perangkat yang dianil pada 400 °C. Transistor Ge dengan kristal ZrO₂ memiliki densitas muatan perangkap massal yang lebih rendah yang menghasilkan hamburan lubang Coulomb jarak jauh yang lebih rendah, dibandingkan dengan perangkat dengan ZrO amorf₂ . Karena antarmuka yang mulus antara kristal ZrO₂ dan Ge, perangkat Ge yang dianil pada 500 °C memiliki hamburan kekasaran permukaan yang lebih rendah dan menunjukkan pergeseran mobilitas puncak ke Q yang lebih tinggi _inv .

a R _tot sebagai fungsi dari L _G di V _GS -V _TH dari 1 V dan V _DS 0,05 V untuk perangkat pada wafer I dengan berbagai suhu PMA. b μ _eff vs. T _inv diekstraksi dengan split C -V metode. Mobilitas tertinggi diperoleh pada perangkat dengan PMA pada 500 °C

Selanjutnya, kami membahas dampak PDA pada karakteristik listrik Ge pMOSFET. Gambar 6 menunjukkan pengukuran C _inv vs. V _GS dari Ge pMOSFET pada wafer I dan wafer II dengan PMA pada 400 °C. Perangkat yang menjalani PDA pada 400 °C memiliki nilai CET yang jauh lebih rendah yaitu 1,29 nm dibandingkan dengan perangkat tanpa PDA, 1,80 nm. Gambar 7a menunjukkan I _D , Aku _S , dan Aku _G -V _GS kurva karakteristik Ge pMOSFET pada wafer I dan wafer II, dan perangkat yang menjalani PMA pada 400 °C. Arus bocor gerbang yang lebih besar diperoleh untuk perangkat dengan PDA dibandingkan dengan transistor tanpa PDA, yang disebabkan oleh CET yang lebih rendah. I . yang sesuai _DS -V _DS kurva perangkat yang diukur pada overdrive gerbang yang berbeda V _GS -V _TH ditunjukkan pada Gambar. 7b. Transistor Ge tanpa PDA menunjukkan peningkatan ~ 24% dalam arus penggerak dibandingkan transistor dengan PDA pada 400 °C pada overdrive yang sama sebesar 0,8 V di wilayah saturasi.

C _inv -V _GS plot untuk perangkat pada wafer I dan II dengan PMA pada 400 °C

a Aku _D , Aku _S , dan Aku _G vs. V _GS kurva Ge pMOSFET pada wafer I dan II dengan PMA pada suhu 400 °C. b Aku _DS -V _DS kurva diukur pada V . yang berbeda _GS -V _TH untuk perangkat

Gambar 8 memplot hasil statistik midgap D _itu , SS, dan V _TH dari Ge pMOSFET dengan dan tanpa PDA. Gambar 8a menunjukkan bahwa semakin kecil D _itu dicapai dalam Ge pMOSFET dengan PDA pada 400 °C dibandingkan dengan perangkat tanpa PDA. Pada Gambar 8b, nilai rata-rata ayunan subambang batas 142 mV/dekade yang lebih rendah dicapai untuk perangkat dengan PDA pada 400 °C, sesuai dengan CET yang lebih rendah dan D yang lebih rendah _itu . Ini menunjukkan bahwa perangkat dengan PDA pada suhu 400 °C memiliki ZrO₂ . yang unggul /Ge antarmuka. Gambar 8c menunjukkan bahwa perangkat dengan dan tanpa PDA memiliki perbedaan V _TH; ini mungkin dikaitkan dengan kepadatan jebakan di setengah celah pita bawah yang dominan di V _TH .

Perbandingan a celah tengah D _itu , b SS, dan c V _TH untuk Ge pMOSFET pada wafer I dan II dengan PMA pada 400 °C

Gambar 9a menunjukkan R _tot vs. L _G kurva pada overdrive gerbang 1 V dan V _DS 0,05 V untuk perangkat dengan PMA pada 400 °C. R _SD nilai diperkirakan sekitar 7,15 dan 7,30 kΩ·μm untuk perangkat tanpa dan dengan PDA masing-masing pada 400 °C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9b, puncak yang lebih tinggi yang luar biasa μ _eff dicapai untuk Ge pMOSFET tanpa PDA, sesuai dengan R . yang lebih kecil _tot /ΔL _G pada Gambar 9a, dibandingkan dengan perangkat dengan PDA. Perangkat dengan PDA pada 400 °C menunjukkan puncak μ _eff dari 211 cm ² /V·s; mobilitas lubang yang lebih rendah mungkin terutama disebabkan oleh hamburan Coulomb jarak jauh yang kuat yang disumbangkan oleh muatan tetap di ZrO₂ dielektrik.

a R _tot vs. L _G kurva untuk perangkat pada wafer I dan wafer II dengan PMA pada 400 °C. b Mobilitas lubang μ _eff vs. T _inv untuk perangkat dengan dan tanpa PDA