Ge N-Channel MOSFET dengan Dielektrik ZrO2 Mencapai Peningkatan Mobilitas

Hasil dan Diskusi

Kapasitansi terukur (C ) dan arus bocor (J ) karakteristik kapasitor Ge MOS pada wafer A, B, dan C masing-masing diukur dan ditunjukkan pada Gambar 3a, b. Ketebalan oksida ekivalen (EOT) perangkat pada wafer A, B, dan C diekstraksi masing-masing menjadi 1,79, 0,59, dan 0,83 nm. Dengan asumsi GeO_x IL memberikan EOT ekstra ~ 0,25 nm untuk wafer A dan C dengan membandingkan wafer B dan C, ZrO 3,3 nm₂ menyumbang EOT ~ 0,6 nm dengan nilai ~ 21,8, yang konsisten dengan nilai ZrO amorf yang dilaporkan sebelumnya₂ [11]. Hasil turunan ini juga mengkonfirmasi bahwa ketebalan dalam GeO_x IL pada wafer B dapat diabaikan.

a Terukur C sebagai fungsi dari tegangan V karakteristik kapasitor Ge pMOS pada wafer A, B, dan C. b J versus V kurva untuk perangkat. c Pembandingan J (diekstrak di V _FB ± 1 V) kapasitor Ge MOS dalam pekerjaan ini terhadap data yang diperoleh untuk kondisi bias serupa dari literatur

Geo_x /Al₂ O₃ IL untuk wafer A dan GeO_x IL untuk wafer C menghasilkan EOT masing-masing ~ 1.2 dan ~ 0.25 nm. EOT perangkat dapat dikurangi lebih lanjut dengan mengurangi ketebalan IL atau meningkatkan kualitas antarmuka, dan meningkatkan permitivitas ZrO₂ dengan beberapa pasif permukaan, misalnya, NH₃ /H₂ pengobatan plasma [6]. Gambar 3c membandingkan J versus karakteristik EOT untuk nMOSFET Ge dalam pekerjaan ini melawan nilai untuk perangkat Ge lainnya yang dilaporkan [5, 12,13,14,15,16,17]. Juga diamati bahwa hasilnya konsisten dengan Ge MOS yang dilaporkan dengan EOT ultra-tipis mengikuti tren yang sama, yang menunjukkan perbedaan arus bocor yang ditunjukkan pada Gambar. 3b terutama disebabkan oleh perbedaan EOT.

Gambar 4a menunjukkan arus pengurasan terukur (I _D ) dan arus sumber (I _S ) versus tegangan gerbang (V _G ) kurva Ge nMOSFET dari wafer A, B, dan C. Semua transistor memiliki panjang gerbang L _G dari 4 μm dan lebar gerbang W dari 100 μm. Titik ambang batas ayunan (SS), didefinisikan sebagai dV _G /d(logSaya _D ), sebagai fungsi dari I _D kurva untuk transistor pada Gambar 4a dihitung dan ditunjukkan pada Gambar 4b. Diklarifikasi bahwa transistor pada wafer A menunjukkan penurunan I _D kebocoran lantai dan SS dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Selain peningkatan EOT pada perangkat pada wafer A akan membawa peningkatan SS, fenomena ini sebagian disebabkan oleh fakta bahwa perangkat dengan Al ₂ O₃ lapisan yang dimasukkan memiliki kepadatan jebakan antarmuka yang lebih tinggi (D _itu ) dalam celah pita saluran Ge dibandingkan dengan wafer B dan C.

a Mengukur I _D dan Aku _S versus V _GS kurva Ge nMOSFET pada wafer A, B, dan C. b Titik SS sebagai fungsi dari I _D untuk transistor. c Aku _D –V _D Karakteristik menunjukkan bahwa nMOSFET Ge pada wafer A memiliki arus penggerak yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C

Gambar 4c menunjukkan karakteristik keluaran terukur, yaitu, I _D –V _D kurva untuk berbagai nilai overdrive gerbang |V _G –V _TH | dari perangkat yang menunjukkan bahwa transistor Ge pada wafer A mencapai peningkatan arus penggerak yang signifikan dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Di sini, V _TH didefinisikan sebagai V _GS sesuai dengan I _D dari 10 ⁻⁷ A/μm. Mempertimbangkan kondisi yang sama untuk formasi S/D, I . yang dikuatkan _DS untuk transistor pada wafer A menunjukkan semakin tinggi μ _eff [18,19,20,21]. Al₂ O₃ lapisan tidak menyebabkan degradasi D _itu kinerja di dekat pita konduksi saluran Ge.

Gambar 5a menunjukkan resistansi total R _tot sebagai fungsi dari L _G untuk nMOSFET Ge dengan ZrO₂ dielektrik dengan L _G mulai dari 2 hingga 10 m. Nilai R _tot diekstraksi pada overdrive gerbang 0. 6 V dan V _D 0,05 V. Resistansi S/D R _SD transistor diekstraksi menjadi ~ 13.5 kΩ μm, memanfaatkan garis yang dipasang berpotongan di y -sumbu. R . yang mirip _SD konsisten dengan proses pembentukan PMA dan S/D yang identik. Resistensi saluran R _CH nilai perangkat diperoleh dengan kemiringan garis yang dipasang, yaitu, R _tot /ΔL _G , yang dapat digunakan untuk menghitung μ _eff karakteristik Ge nMOSFET. Untuk mengevaluasi kualitas antarmuka, kepadatan perangkap antarmuka (D _itu ) diekstraksi dengan persamaan berikut sesuai dengan metode Hill [17]:

dimana q adalah muatan elektronik, A adalah luas kapasitor, G _m,maks adalah nilai maksimum konduktansi terukur, dengan kapasitansi yang sesuai C _m , ω adalah frekuensi sudut, dan C _sapi adalah kapasitansi oksida gerbang. D _itu nilai dihitung menjadi 3,7, 3,2, dan 2,3 × 10 ¹² eV ⁻¹ cm ⁻² untuk perangkat pada wafer A, B, dan C, masing-masing.

Diketahui bahwa nilai yang dihitung sesuai dengan midgap D _itu . Perangkat dengan Al₂ O₃ IL pada wafer A memiliki midgap yang lebih tinggi D _itu dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Hal ini konsisten dengan hasil pada Gambar. 3a dan 4a, dan midgap yang lebih tinggi D _itu menimbulkan dispersi kapasitansi penipisan yang lebih besar dalam wafer A yang menyebabkan arus bocor yang lebih tinggi I _DS dibandingkan dengan dua wafer lainnya. Perhatikan wafer A harus memiliki D . yang lebih rendah _itu dekat celah pita konduksi karena μ . yang lebih tinggi _eff atas wafer B dan C.

a R _tot versus L _G kurva untuk Ge nMOSFET pada wafer A, B, dan C. Garis pas yang berpotongan pada sumbu y dan kemiringan garis fit linier digunakan untuk mengekstrak R _SD dan R _CH , masing-masing. b μ _eff untuk Ge nMOSFET dalam pekerjaan ini versus hasil yang diterbitkan sebelumnya untuk transistor Ge yang tidak tegang. Perangkat di wafer A menunjukkan peningkatan μ _eff daripada mobilitas universal Si di seluruh rentang Q _inv

Sudah diketahui bahwa μ _eff adalah hambatan untuk arus penggerak tinggi dan transkonduktansi dalam nMOSFET Ge. Di sini, μ _eff dapat dihitung dengan \(\mu_{{{\text{eff}}}} =1/[WQ_{{{\text{inv}}}} (\Delta R_{{{\text{tot}}}} /\Delta L_{{\text{G}}} )]\), di mana R _tot /ΔL _G adalah kemiringan R _tot versus L _G seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. T _inv dapat diperoleh dengan mengintegrasikan pengukuran C _inv –V _G kurva. Pada Gambar. 5b, kami membandingkan μ _eff versus Q _inv dari nMOSFET Ge pada wafer A, B, dan C dengan yang dilaporkan sebelumnya di [18, 22,23,24,25]. Puncak yang diekstraksi μ _eff nilai transistor pada wafer A dan C adalah 795 dan 682 cm ² /V, masing-masing, dan nMOSFET Ge pada wafer B adalah 433 cm ² /V s. Buat nMOSFET dengan Al₂ O₃ IL mencapai peningkatan signifikan μ _eff dibandingkan dengan transistor pada wafer B atau C, perangkat di [18, 22,23,24,25] dalam medan tinggi, dan mobilitas universal Si di seluruh Q _inv jangkauan. Di Q _inv dari 5 × 10 ¹² cm ⁻² , 50% μ _eff peningkatan dicapai pada perangkat pada wafer A dibandingkan dengan mobilitas universal Si. Ini menunjukkan bahwa dengan melindungi permukaan saluran untuk mencegah bercampurnya ZrO₂ dan GeO_x menggunakan Al₂ O₃ , antarmuka berkualitas tinggi antara isolator gerbang dan Ge diwujudkan untuk meningkatkan karakteristik mobilitas, yang juga dilaporkan dalam studi sebelumnya tentang Ge MOSFET dengan EOT ultra tipis [26]. μ _eff di transistor pada wafer C lebih tinggi dari Si universal pada Q _inv dari 2,5 × 10 ¹² cm ⁻² , meskipun cepat meluruh dengan peningkatan Q _inv jangkauan. Ini menunjukkan bahwa O₃ . yang digunakan oksidasi sebelum ZrO₂ deposisi akan meningkatkan kualitas antarmuka sampai batas tertentu; namun, itu tidak menghasilkan cukup permukaan saluran datar untuk secara efektif menekan hamburan kekasaran permukaan pembawa pada Q tinggi _inv karena pencampuran ZrO₂ dan GeO_{x ,} karena dilaporkan bahwa pembentukan kekosongan oksigen selama pencampuran akan meningkatkan kekasaran orde jarak pendek (SRO) [27]. Mengoptimalkan O₃ proses oksidasi atau reduksi Al₂ O₃ Ketebalan IL dapat membuat transistor Ge mencapai pengurangan EOT sambil mempertahankan μ . yang lebih tinggi _eff di atas Q _inv .