nMOSFET Germanium Mobilitas Tinggi dengan Dielektrik Gate ZrO₂
Abstrak
nMOSFET Ge bergerak tinggi dengan dielektrik gate ZrO₂ ditunjukkan dan dibandingkan dengan transistor dengan properti antarmuka yang berbeda dari perawatan ozon (O₃), perawatan pasca O₃ dan tanpa perawatan O₃. Ditemukan bahwa dengan perawatan O₃, nMOSFET Ge dengan dielektrik ZrO₂ yang memiliki EOT 0,83 nm mencapai mobilitas elektron efektif puncak (μeff) sebesar 682 cm²/Vs, yang lebih tinggi dari mobilitas universal Si pada kepadatan muatan inversi menengah (Qinv). Di sisi lain, perawatan pasca O₃ dengan lapisan antarmuka Al₂O₃ dapat memberikan peningkatan μeff yang dramatis, mencapai perbaikan sekitar 50% μeff dibandingkan dengan mobilitas universal Si pada Qinv menengah 5 × 10¹² cm⁻². Hasil ini menunjukkan potensi pemanfaatan dielektrik ZrO₂ dalam nMOSFET Ge berkinerja tinggi.
Latar Belakang
GERMANIUM (Ge) telah menunjukkan keuntungan mobilitas pembawa yang lebih tinggi dan suhu proses yang lebih rendah dibandingkan dengan perangkat Si. Ini menjadikan Ge sebagai alternatif untuk aplikasi perangkat logika CMOS ultra-scaled dan transistor tipis (TFT) sebagai lapisan atas dalam sirkuit terintegrasi tiga dimensi [1,2,3]. Dalam beberapa tahun terakhir, upaya besar telah difokuskan pada passivasi permukaan, dielektrik gate, dan rekayasa saluran untuk transistor MOSFET p-channel Ge, yang telah berkontribusi pada peningkatan signifikan dalam performa listrik untuk perangkat p-channel.
Tetapi untuk n-channel MOSFET Ge, mobilitas pembawa efektif rendah (μeff) yang disebabkan oleh lapisan antarmuka gate stack yang buruk secara kuat membatasi performa perangkat. Berbagai teknik passivasi permukaan termasuk passivasi Si [1], oksidasi pasca plasma [4], dan passivasi InAlP [5] dan beberapa dielektrik high-κ termasuk HfO₂, ZrO₂ [6,7,8], Y₂O₃ [9], dan La₂O₃ [10] telah dieksplorasi dalam nMOSFET Ge untuk meningkatkan elektron μeff. Telah dibuktikan bahwa dielektrik ZrO₂ terintegrasi dengan saluran Ge dapat memberikan antarmuka yang kuat karena lapisan antarmuka GeO₂ dapat bereaksi dan bercampur dengan lapisan ZrO₂ [7]. Lubang μeff yang bagus telah dilaporkan dalam transistor p-channel Ge [6,7,8], sementara masih banyak ruang untuk perbaikan dalam elektron μeff untuk sepasannya.
Dalam pekerjaan ini, nMOSFET Ge dengan dielektrik gate ZrO₂ dibuat untuk mencapai μeff yang ditingkatkan dibandingkan Si dalam seluruh rentang kepadatan muatan inversi (Qinv). Transistor Ge mendapatkan perbaikan 50% dalam elektron μeff dibandingkan dengan mobilitas universal Si pada Qinv menengah 5,0 × 10¹² cm⁻².
Eksperimen
Langkah proses kunci untuk memproduksi nMOSFET Ge pada wafer p-Ge(001) 4 inci dengan resistivitas 0,136–0,182 Ω cm ditunjukkan dalam Gambar 1a. Wilayah sumber/saluran (S/D) diimplantasi dengan ion fosfor pada dosis 1 × 10¹⁵ cm⁻² dan energi 30 keV diikuti oleh aniling aktivasi dopan pada 600 °C. Setelah pembersihan pra-gate, wafer Ge dimuat ke dalam kamar deposit lapis atom untuk pembentukan lapisan dielektrik gate: Al₂O₃/oksidasi O₃/ZrO₂, ZrO₂, atau oksidasi O₃/ZrO₂ untuk wafer A, B, atau C, masing-masing. Untuk wafer A, 0,9 nm Al₂O₃ digunakan untuk melindungi permukaan saluran selama oksidasi O₃. Oksidasi O₃ dilakukan pada 300 °C selama 15 menit untuk wafer A dan C. Untuk semua wafer, ketebalan ZrO₂ adalah ~ 3,3 nm. Selanjutnya, logam gate TiN(100 nm) diabadikan melalui sputtering reaktif fisik, dan pola litografi serta ion etching reaktif digunakan untuk membentuk elektroda gate. Setelah itu, lapis Ni 25 nm diabadikan pada wilayah S/D. Terakhir, aniling pasca metalisasi (PMA) pada 350 °C selama 30 detik dilakukan untuk membentuk germanida Ni dan meningkatkan kualitas antarmuka. Skematik dan citra mikroskop transistor yang dibuat ditunjukkan dalam Gambar 1b, c, masing-masing.
a Langkah proses kunci untuk memproduksi nMOSFET Ge. b Skematik cross-section dan c citra mikroskop perangkat yang dibuat
Gambar 2a, b menunjukkan citra mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) tumpukan gate pada wafer A dan B, masing-masing. Ketebalan terpadu lapisan antarmuka (IL) Al₂O₃/GeOx untuk wafer A adalah ~ 1,2 nm yang menunjukkan 0,2–0,3 nm GeOx. Untuk perangkat pada wafer B, IL GeOx ultra tipis secara eksperimental telah ditunjukkan [7].
Citra HRTEM a TiN//ZrO₂/Al₂O₃/GeOx/Ge, b TiN/ ZrO₂/GeOx/Ge tumpukan untuk perangkat pada wafer A dan B, masing-masing
Hasil dan Pembahasan
Karakteristik kapasitansi (C) yang diukur dan arus bocor (J) untuk kapasitor MOS Ge pada wafer A, B, dan C diukur dan ditunjukkan dalam Gambar 3a, b, masing-masing. Ketebalan oksida ekuivalen (EOT) perangkat pada wafer A, B, dan C diekstraksi menjadi 1,79, 0,59, dan 0,83 nm, masing-masing. Asumsi IL GeOx menyediakan EOT tambahan ~ 0,25 nm untuk wafer A dan C dengan membandingkan wafer B dan C, ZrO₂ 3,3 nm menyumbang EOT ~ 0,6 nm dengan nilai κ ~ 21,8, yang sesuai dengan nilai yang sebelumnya dilaporkan untuk ZrO₂ amorf [11]. Hasil yang diperoleh ini juga mengonfirmasi bahwa ketebalan IL GeOx pada wafer B tidak signifikan.
a Karakteristik C yang diukur sebagai fungsi tegangan V untuk kapasitor pMOS Ge pada wafer A, B, dan C. b Kurva J versus V untuk perangkat. c Benchmarking J (diekstraksi pada VFB ± 1 V) dari kapasitor MOS Ge dalam pekerjaan ini terhadap data yang diperoleh untuk kondisi bias yang serupa dari literatur
IL GeOx/Al₂O₃ untuk wafer A dan IL GeOx untuk wafer C menghasilkan EOT ~ 1,2 dan ~ 0,25 nm, masing-masing. EOT perangkat dapat dikurangi lebih lanjut dengan mengurangi ketebalan IL atau meningkatkan kualitas antarmuka, dan meningkatkan permitivitas ZrO₂ dengan beberapa passivasi permukaan, misalnya, perawatan plasma NH₃/H₂ [6]. Gambar 3c membandingkan J versus EOT untuk nMOSFET Ge dalam pekerjaan ini dengan nilai untuk perangkat Ge lainnya yang dilaporkan [5, 12,13,14,15,16,17]. Juga diamati bahwa hasilnya sesuai dengan laporan Ge MOS dengan EOT ultra tipis yang mengikuti tren yang sama, menunjukkan bahwa selisih arus bocor yang ditunjukkan dalam Gambar 3b seharusnya terutama dapat diatribusikan pada selisih EOT.
Gambar 4a menunjukkan kurva arus drain (ID) dan arus sumber (IS) yang diukur versus tegangan gate (VG) nMOSFET Ge dari wafer A, B, dan C. Semua transistor memiliki panjang gate LG 4 μm dan lebar gate W 100 μm. Titik subthreshold swing (SS), yang didefinisikan sebagai dVG/d(logID), sebagai fungsi kurva ID untuk transistor dalam Gambar 4a dihitung dan ditunjukkan dalam Gambar 4b. Dijelaskan bahwa transistor pada wafer A menunjukkan ID leakage floor dan SS yang degradatif dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Selain peningkatan EOT pada perangkat pada wafer A akan membawa peningkatan SS, fenomena ini sebagian dapat diatribusikan pada fakta bahwa perangkat dengan lapisan Al₂O₃ yang disisipkan memiliki densitas jebakan antarmuka (Dit) yang lebih tinggi dalam bandgap saluran Ge dibandingkan dengan wafer B dan C.
a Kurva ID dan IS yang diukur versus VGS nMOSFET Ge pada wafer A, B, dan C. b Point SS sebagai fungsi ID untuk transistor. c Karakteristik ID–VD menunjukkan bahwa transistor Ge pada wafer A memiliki arus drive yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C
Gambar 4c menunjukkan karakteristik output yang diukur, yaitu, kurva ID–VD untuk berbagai nilai gate overdrive |VG–VTH| dari perangkat yang menunjukkan bahwa transistor Ge pada wafer A mencapai arus drive yang signifikan ditingkatkan dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Di sini, VTH didefinisikan sebagai VGS yang sesuai dengan ID sebesar 10⁻⁷ A/μm. Mempertimbangkan kondisi identik untuk pembentukan S/D, IDS yang ditingkatkan untuk transistor pada wafer A menunjukkan μeff yang lebih tinggi [18,19,20,21]. Lapisan Al₂O₃ tidak menyebabkan degradasi performa Dit di dekat band konduksi saluran Ge.
Gambar 5a menunjukkan total resistensi Rtot sebagai fungsi LG untuk nMOSFET Ge dengan dielektrik ZrO₂ dengan LG berkisar dari 2 hingga 10 µm. Nilai Rtot diekstraksi pada gate overdrive 0,6 V dan VD 0,05 V. Resistensi S/D RSD transistor diekstraksi menjadi ~ 13,5 kΩ μm, menggunakan garis fit yang bersinggungan pada sumbu y. RSD yang serupa konsisten dengan proses PMA dan pembentukan S/D yang identik. Resistensi saluran RCH nilai perangkat diperoleh dari kemiringan garis fit, yaitu, ΔRtot/ΔLG, yang dapat digunakan untuk menghitung karakteristik μeff nMOSFET Ge. Untuk mengevaluasi kualitas antarmuka, densitas jebakan antarmuka (Dit) diekstraksi oleh persamaan berikut sesuai dengan metode Hill [17]:
di mana q adalah muatan elektron, A adalah luas kapasitor, Gm,max adalah nilai maksimum konduktansi yang diukur, dengan kapasitansi yang sesuai Cm, ω adalah frekuensi sudut, dan Cox adalah kapasitansi oksida gate. Nilai Dit dihitung menjadi 3,7, 3,2, dan 2,3 × 10¹² eV⁻¹ cm⁻² untuk perangkat pada wafer A, B, dan C, masing-masing.
Diketahui bahwa nilai yang dihitung sesuai dengan midgap Dit. Perangkat dengan IL Al₂O₃ pada wafer A memiliki midgap Dit yang lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat pada wafer B dan C. Ini konsisten dengan hasil dalam Gambar 3a dan 4a, dan midgap Dit yang lebih tinggi menghasilkan dispersi kapasitansi depleksi yang lebih besar pada wafer A yang menyebabkan arus bocor IDS yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua wafer lainnya. Perhatikan wafer A seharusnya memiliki Dit yang lebih rendah di dekat bandgap konduksi karena μeff yang lebih tinggi dari wafer B dan C.
a Kurva Rtot versus LG untuk nMOSFET Ge pada wafer A, B, dan C. Garis fit yang bersinggungan pada sumbu y dan kemiringan garis fit linier digunakan untuk mengekstrak RSD dan RCH, masing-masing. bμeff untuk nMOSFET Ge dalam pekerjaan ini versus hasil yang sebelumnya dipublikasikan untuk transistor Ge tanpa tekanan. Perangkat pada wafer A menunjukkan μeff yang ditingkatkan dibandingkan mobilitas universal Si dalam seluruh rentang Qinv
Diketahui dengan baik bahwa μeff adalah batas untuk arus drive dan transkonduktansi dalam nMOSFET Ge. Di sini, μeff dapat dihitung oleh \(\mu_{{{\text{eff}}}} = 1/[WQ_{{{\text{inv}}}} (\Delta R_{{{\text{tot}}}} /\Delta L_{{\text{G}}} )]\), di mana ΔRtot/ΔLG adalah kemiringan Rtot versus LG seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a. Qinv dapat diperoleh dengan mengintegrasi kurva Cinv–VG yang diukur. Dalam Gambar 5b, kami membandingkan μeff versus Qinv dari nMOSFET Ge pada wafer A, B, dan C dengan yang sebelumnya dilaporkan dalam [18, 22,23,24,25]. Nilai μeff puncak yang diekstraksi dari transistor pada wafer A dan C adalah 795 dan 682 cm²/V s, masing-masing, dan itu dari nMOSFET Ge pada wafer B adalah 433 cm²/V s. nMOSFET Ge dengan IL Al₂O₃ mencapai μeff yang signifikan ditingkatkan dibandingkan dengan transistor pada wafer B atau C, perangkat dalam [18, 22,23,24,25] pada medan tinggi, dan mobilitas universal Si dalam seluruh rentang Qinv. Pada Qinv sebesar 5 × 10¹² cm⁻², peningkatan μeff 50% dicapai dalam perangkat pada wafer A dibandingkan dengan mobilitas universal Si. Ini menunjukkan bahwa dengan melindungi permukaan saluran untuk mencegah bercampurnya ZrO₂ dan GeOx menggunakan Al₂O₃, antarmuka berkualitas tinggi antara isolator gate dan Ge terwujud untuk meningkatkan karakteristik mobilitas, yang juga dilaporkan dalam studi sebelumnya MOSFET Ge dengan EOT ultra tipis [26]. μeff dalam transistor pada wafer C lebih tinggi dari mobilitas universal Si pada Qinv 2,5 × 10¹² cm⁻², meskipun ia cepat merapat seiring meningkatnya rentang Qinv. Ini menunjukkan bahwa proses oksidasi O₃ yang digunakan sebelum penyetoran ZrO₂ akan meningkatkan kualitas antarmuka dalam beberapa hal; namun, ini tidak menghasilkan permukaan saluran yang cukup datar untuk secara efektif menekan pencararan kekasaran permukaan pembawa pada Qinv tinggi karena bercampurnya ZrO₂ dan GeOx, karena dilaporkan bahwa generasi rongga oksigen selama bercampurannya akan meningkatkan kekasaran urutan pendek (SRO) [27]. Optimasi proses oksidasi O₃ atau pengurangan ketebalan IL Al₂O₃ dapat membuat transistor Ge mencapai EOT yang dikurangi sambil mempertahankan μeff yang lebih tinggi pada Qinv tinggi.
Kesimpulan
Dampak struktur dan morfologi dielektrik gate pada karakteristik listrik nMOSFET Ge diselidiki. Dielektrik gate Al₂O₃/ZrO₂ memberikan μeff yang signifikan ditingkatkan dibandingkan dengan mobilitas universal Si. μeff dapat ditingkatkan dengan menyisipkan lapisan Al₂O₃ antara ZrO₂ dan saluran Ge, yang, namun, secara tak terhindarkan menghasilkan EOT yang lebih besar. nMOSFET Ge bebas Al₂O₃ dengan oksidasi O₃ permukaan Ge sebelum penyetoran ZrO₂ mencapai μeff puncak 682 cm²/V s yang lebih tinggi dari Si pada Qinv yang serupa.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
