Optimisasi Kinerja pMOSFET Germanium dengan Dielektrik ZrO₂: Peran Analing Pemblahan Logam dan Analing Setelah Penyapuan

Abstrak

Studi ini menguji bagaimana analing pemblahan logam (PMA) dan analing setelah penyapuan (PDA) mempengaruhi kinerja listrik MOSFET tipe-p Germanium (pMOSFET) yang menggunakan dielektrik gate ZrO₂. Perangkat yang melewati PDA menunjukkan peningkatan progresif dalam arus on-state (I_ON), subthreshold swing (SS), dan ketebalan setara kapasitansi (CET) seiring dengan peningkatan suhu PMA dari 350 °C ke 500 °C. Kristalisasi ZrO₂ pada suhu PMA yang lebih tinggi meningkatkan permitivitasnya dan menurunkan densitas status antarmuka (D_it), yang mengakibatkan CET yang lebih rendah dan mobilitas lubang efektif (μ_eff) yang lebih tinggi. Sebaliknya, perangkat yang menerima langkah PDA pada 400 °C mencapai CET yang lebih kecil dan SS yang lebih curam, namun μ_eff mereka lebih rendah dibandingkan perangkat tanpa PDA.

Latar Belakang

Germanium (Ge) semakin diakui sebagai material saluran p-kanal ber-mobilitas tinggi untuk CMOS generasi mendatang, menawarkan mobilitas lubang yang melebihi silicon dengan margin yang signifikan [1–3]. Untuk mengeksploitasi keuntungan ini sepenuhnya, dielektrik gate berkualitas tinggi dan passivasi permukaan yang kuat esensial untuk mencapai mobilitas pembawa efektif (μ_eff) dan arus drive yang tinggi dalam transistor Ge [4–7]. Beberapa dielektrik high-k—HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, dan Y₂O₃—telah dieksplorasi untuk menurunkan ketebalan setara kapasitansi (CET) di bawah 1 nm. Di antaranya, ZrO₂ menonjol karena konstanta dielektrik yang tinggi (κ ≈ 28–30 dalam fase kristal) dan kualitas antarmuka yang baik dengan Ge [12–14]. Kristalisasi ZrO₂ telah menunjukkan dapat menurunkan CET dan meningkatkan μ_eff [15, 16], namun dampak rute analing yang berbeda pada kinerja perangkat masih kurang dipelajari. Penelitian ini menyelidiki bagaimana PMA dan PDA mempengaruhi pMOSFET Ge dengan dielektrik ZrO₂, menunjukkan bahwa suhu PMA yang lebih tinggi secara signifikan meningkatkan μ_eff dan mengurangi CET.

Metode

Alur pembuatan pMOSFET Ge dengan dielektrik ZrO₂ ditunjukkan dalam Gambar 1a. Perangkat ditumbuhkan pada wafer n-tipe Ge(001) (0,088–0,14 Ω·cm). Setelah pembersihan HF (1:50) berturut-taut dan pencucian air DI, wafer memasuki ruang ALD. Langkah ozonasi pasca-penyapuan (OPO)—menyapukan lapisan Al₂O₃ 1 nm pada 300 °c diikuti oleh 15 menit OPO in-situ—menyediakan passivasi permukaan. Selanjutnya, lapisan ZrO₂ 5 nm disiapkan pada 250 °C menggunakan prekursor TDMAZr dan H₂O, dengan sumber Zr dipanaskan ke 85 °C. Sampel selektif melalui PDA pada 400 °C selama 60 s dalam analis cepat termal (wafer II); sisa wafer berfungsi sebagai kelompok tanpa PDA (wafer I). Gate TaN 100 nm di-sputter, diola, dan di-etch. Wilayah sumber/drain dibentuk oleh implanasi BF₂⁺ (30 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), diikuti oleh kontak Ni 15 nm melalui lift-off. Akhirnya, PMA dilakukan pada 350, 400, 450, dan 500 °C selama 30 s untuk mengaktifkan dopan dan menyelesaikan metalisasi.

Gambar 1b menampilkan pandangan SEM dari perangkat tipikal, sementara Gambar 1c menampilkan penampang XTEM yang menyoroti wilayah gate, dielektrik, dan sumber/drain. Gambar 1d dan 1e menunjukkan bahwa lapisan ZrO₂ sepenuhnya kristal setelah PMA pada 500 °C, dengan ketebalan antarmuka Al₂O₃ ≈ 0,7 nm.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2 menunjukkan kapasitansi inversi (C_inv) versus tegangan gate (V_GS) yang diukur pada 300 kHz untuk perangkat pada wafer I. Nilai CET yang diekstrak adalah 1,95, 1,80, 1,67, dan 1,52 nm untuk suhu PMA 350, 400, 450, dan 500 °C, masing-masing. Pengurangan CET dengan PMA yang lebih tinggi disebabkan oleh kristalisasi ZrO₂, yang meningkatkan κ dari ~20–23 (amorfa) ke ~28–30 (kristal) dan menurunkan densitas tangkap massa. Pergeseran ini pada kurva C-V mengonfirmasi kualitas dielektrik yang ditingkatkan.

Gambar 3a menyajikan karakteristik transfer dan kebocoran gate (I_G) untuk perangkat pada wafer I. Semua transistor memiliki L_G = 4 µm dan W = 100 µm. Kebocoran gate tetap di bawah arus drain untuk semua suhu PMA. Secara menonjol, perangkat yang dianaling pada 500 °C mencapai rasio I_ON/I_OFF > 10⁴. Gambar 3b menunjukkan kurva I_D–V_DS pada overdrive yang berbeda (|V_GS – V_TH|). Dibandingkan 350 °C, perangkat 500 °C menunjukkan arus drive 47% dan 118% lebih tinggi pada V_DS = –1,0 V dan |V_GS – V_TH| = 0,8 V, masing-masing. Gambar 3c merangkum statistik I_ON pada V_DS = –0,5 V dan |V_GS – V_TH| = –1 V, mengonfirmasi bahwa analing 500 °C memberikan kinerja on-state yang unggul karena resistensi sumber/drain yang lebih rendah, CET yang lebih rendah, dan μ_eff yang lebih tinggi.

Gambar 4 menyajikan plot statistik D_it tengah gap, SS, dan V_TH untuk suhu PMA yang berbeda. Nilai D_it yang diekstrak (melalui metode konduktansi maksimum) adalah 1,3 × 10¹³, 9,5 × 10¹², 9,2 × 10¹², dan 6,3 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ untuk 350, 400, 450, dan 500 °C, masing-masing. Perangkat 500 °C menunjukkan SS yang curam karena D_it dan CET terkecil. Meski D_it dan SS tetap di atas transistor Ge terbaik yang pernah dilaporkan, optimisasi lebih lanjut dari proses OPO (ketebalan Al₂O₃, suhu oksidasi, durasi) dapat menghasilkan perbaikan tambahan. V_TH bergeser positif seiring dengan peningkatan suhu PMA, yang mencerminkan CET dan D_it yang berkurang. Secara keseluruhan, kinerja listrik optimal dicapai dengan PMA pada 500 °C.

Mobilitas lubang efektif (μ_eff) diekstrak menggunakan metode ΔR_tot/ΔL_G [18] di seluruh perangkat dengan L_G yang bervariasi dari 1,5 hingga 9 µm. Gambar 5a menunjukkan R_tot versus L_G pada |V_GS – V_TH| = –1 V dan V_DS = –0,05 V; nilai R_SD yang sesuai adalah 7,85, 7,15, 6,10, dan 4,35 kΩ·µm untuk 350, 400, 450, dan 500 °C, yang menunjukkan aktivasi dopan yang ditingkatkan pada suhu PMA yang lebih tinggi. Lereng ΔR_tot/ΔL_G terkecil untuk perangkat 500 °C, menghasilkan puncak μ_eff sebesar 384 cm² V⁻¹ s⁻¹—31% lebih tinggi dari kontrapart 400 °C. Pada densitas muatan inversi yang tinggi (Q_inv ≈ 1 × 10¹³ cm⁻²), perangkat 500 °C mempertahankan mobilitas unggul. ZrO₂ kristal mengurangi densitas tangkap massa, sehingga meminimalkan pencaran Coulomb jarak jauh, dan antarmuka ZrO₂/Ge yang lebih halus mengurangi pencaran kekasaran permukaan, memindahkan puncak mobilitas ke Q_inv yang lebih tinggi.

Kami selanjutnya menyelidiki pengaruh PDA terhadap karakteristik perangkat. Gambar 6 membandingkan C_inv–V_GS untuk perangkat pada wafer I (tanpa PDA) dan wafer II (PDA pada 400 °C) yang dianaling pada 400 °C. Perangkat PDA menunjukkan CET yang jauh lebih rendah (1,29 nm vs. 1,80 nm). Gambar 7a menunjukkan bahwa PDA meningkatkan kebocoran gate, kemungkinan karena CET yang berkurang. Namun, perangkat tanpa PDA menghasilkan arus drive 24% lebih tinggi pada overdrive yang sama (–0,8 V) di wilayah saturasi, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 7b.

Gambar 8 merangkum hasil statistik D_it, SS, dan V_TH untuk perangkat dengan dan tanpa PDA. Perangkat PDA menunjukkan D_it yang lebih rendah dan rata-rata SS 142 mV/dekade, yang menunjukkan antarmuka ZrO₂/Ge yang ditingkatkan. V_TH berbeda antara kedua kelompok, yang mencerminkan variasi densitas tangkap di dekat bandgap.

Gambar 9 menunjukkan R_tot vs. L_G untuk perangkat PMA 400 °C. R_SD adalah 7,15 kΩ·µm (tanpa PDA) dan 7,30 kΩ·µm (PDA). Perangkat PDA menunjukkan puncak μ_eff sebesar 211 cm² V⁻¹ s⁻¹, lebih rendah dari perangkat tanpa PDA 400 °C. Pengurangan mobilitas disebabkan oleh pencaran Coulomb jarak jauh yang ditingkatkan dari muatan tetap dalam dielektrik ZrO₂.

Kesimpulan

Kami telah secara sistematis mengeksplorasi bagaimana PMA dan PDA mempengaruhi pMOSFET Ge dengan dielektrik ZrO₂. Kristalisasi dielektrik gate ZrO₂, yang dicapai oleh PMA pada 500 °C, secara signifikan menurunkan CET dan meningkatkan mobilitas lubang—menghasilkan puncak μ_eff sebesar 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ dan arus drive yang ditingkatkan. Sementara langkah PDA pada 400 °C lebih mengurangi CET dan D_it, ini mengorbankan mobilitas dan meningkatkan kebocoran dibandingkan perangkat tanpa PDA. Oleh karena itu, PMA suhu tinggi tanpa PDA adalah rute yang diinginkan untuk mengoptimalkan kinerja pMOSFET Ge.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.

Singkatan

ALD

Penyapukan lapisan atom

BF₂⁺

Ion fluorida boron

CET

Ketebalan setara kapasitansi

Ge

Germanium

HF

Asam fluorida

HRTEM

Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi

IL

Lapisan antarmuka

MOSFETs

Transistor efek lapangan metal-oksida-semikonduktor

Ni

Nikel

PDA

Analing setelah penyapuan

PMA

Analing pemblahan logam

SS

Subthreshold swing

TaN

Nitida tantalum

TDMAZr

Tetrakis (dimethylamido) zirconium

ZrO₂

Dioksida zirconium

μ_eff

Mobilitas pembawa efektif