Ge-pMOSFETs mit GeOx-Passivierung durch Ozon- und Plasma-Nachoxidation

Hintergrund

Da sich herkömmliche komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Bauelemente ihrer physikalischen Grenze nähern, ist eine Leistungssteigerung für Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbauelemente mit Silizium (Si) als Kanalmaterial schwer zu realisieren. Das Ersetzen von Substrat- oder Kanalmaterial durch anderes Material mit hoher Mobilität ist eine zwingende Option. Germanium (Ge) wurde aufgrund der höheren Ladungsträgermobilität als die von Si als vielversprechendes alternatives Kanalmaterial angesehen. Der MOSFET benötigt normalerweise eine hochwertige Oxid/Halbleiter-Schnittstelle, um eine hohe effektive Mobilität zu erreichen. Ge-MOSFETs litten jedoch lange Zeit unter der hohen Grenzflächenzustandsdichte (D _es ) verursacht durch die schlechte thermische Stabilität von GeO₂ und baumelnde Bindungen [1]. Daher wurde viel über die Passivierung der Ge-Grenzfläche geforscht.

Es wurden mehrere Ansätze zum Erzielen einer qualitativ hochwertigen Ge/Dielektrikum-Grenzflächenschicht berichtet, wie z. B. Si-Passivierung durch gleichförmiges Abscheiden mehrerer Si-Monoschichten auf einem Ge-Substrat vor der dielektrischen Epitaxie oder Selbstpassivierung durch Bildung von GeO₂ absichtlich [2, 3]. Um ein hochwertiges GeO₂ . zu bilden Schicht gibt es viele Oxidationsprozesse, um D . zu reduzieren _es und Verbesserung der thermischen Stabilität, einschließlich Hochdruckoxidation [4], Ozonoxidation [5], H₂ O-Plasma [6] und Elektron-Zyklotron-Resonanz-(ECR)-Plasma nach der Oxidation [7].

In den letzten Jahren wurde über zahlreiche Arbeiten berichtet, in denen ein Hochleistungs-Ge-MOSFET durch Nachoxidation durch Al₂ . realisiert werden kann O₃ /Ge-Schnittstelle. 2014 wurde ein Ge-CMOS-Inverter auf einem Ge-auf-Isolator-(GeOI)-Substrat mit GeO_{x . realisiert} gezüchtet durch schnelles thermisches Glühen in reiner Sauerstoffumgebung nach 1 nm Al₂ O₃ wurde auf Ge abgelagert [8]. In Ref.-Nr. [7], Ge pMOSFETs und nMOSFETs mit GeO_x Passivierung wurden mit Sauerstoffplasma nach Oxidation und Temperaturabhängigkeit von GeO_{x . hergestellt} Dicke und elektrische Leistung wurden ebenfalls diskutiert. Die thermische Oxidation von Ge durch Ozon kann bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden, da Ozon reaktiver ist als Sauerstoff [5]. Der Einfluss der Temperatur auf GeO_x durch Ozon auf der Ge-Oberfläche gewachsene Dicke wurde demonstriert. Ge pMOSFETs mit GeO_x Passivierung durch Ozon-Nachoxidation wurde ebenfalls berichtet [9].

In dieser Arbeit werden Ge-pMOSFETs mit GeO_x Passivierungen werden unter Verwendung von Ozon-Nachoxidation (OPO) und Sauerstoff-Plasma-Nachoxidation (PPO) des Al₂ . hergestellt O₃ /n-Ge-Schnittstelle. Es wird eine Vergleichsstudie zur elektrischen Leistung von Ge-pMOSFETs mit OPO und PPO durchgeführt. Alle Prozesse mit Ausnahme der Passivierung werden genau so gesteuert, dass sie gleich sind. Die Nachoxidation wurde nach dem Al₂ . durchgeführt O₃ Blockschichtabscheidung, die sich von [9] unterscheidet, bei der die Nachoxidation nach HfO₂ . erfolgte Ablage. Der Mobilitätsdegenerationsmechanismus von Coulomb und Rauheitsstreuung wird untersucht. Der Einfluss der Dicke des Al₂ O₃ Blockschicht auf die Geräteleistung wird ebenfalls diskutiert. Insgesamt zeigen wir, dass OPO eine vielversprechende Passivierungstechnik für die zukünftige Ge-MOSFET-Herstellung ist.

Methoden

Ge-pMOSFETs wurden auf 4-in. n-Ge(001)-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 0,14–0,183 Ω cm. Es wurden drei verschiedene Passivierungsprozesse durchgeführt, und die wichtigsten Prozessschritte sind in Abb. 1a dargestellt. Die Wafer wurden mit verdünnter HF (1:50) und entionisiertem Wasser mehrere Zyklen lang gereinigt, um das native Oxid zu entfernen, und dann sofort in eine plasmaunterstützte Atomlagenabscheidungskammer PEALD (Picosun R200 Advanced) überführt. Dann ein dünnes Al₂ O₃ Film (~ 1 nm) wurde bei 300 °C mit Trimethylaluminium (TMA) und entionisiertem Wasser (H₂ .) abgeschieden O) als Vorläufer von Al bzw. O. Weil die Al₂ O₃ /GeO₂ Schicht zu dünn ist, um ein genaues Sauerstoffatomverhältnis zu haben, haben wir diese beiden Schichten als AlO_{x . markiert} /GeO_x . PPO wurde 60 s lang mit der entfernten Plasmaquelle Litmas durchgeführt. Ein Ozongenerator (IN USA AC-Serie Ozongeneratoren) mit einem Eingangssauerstofffluss von 750 sccm wurde für die OPO-Behandlung in 50 % O₃ . verwendet /O₂ Umgebungs. Ohne das Vakuum zu unterbrechen, 60-Zyklen HfO₂ wurde dann oben auf AlO_{x . abgeschieden} /GeO_x nach PPO- oder OPO-Behandlung bei 300°C unter Verwendung von Tetrakisdimethylaminohafnium (TDMAHf) und H₂ O als Vorläufer von Hf bzw. O. Als Gate-Metall wurde dann ein 100 nm TaN durch reaktives Sputtern abgeschieden. Nach der Gatestrukturierung und Ätzung, selbstjustiertes BF ²⁺ Implantation in Source/Drain(S/D)-Regionen mit einer Energie von 20 keV und einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ cm ^− 2 wurde rausgebracht. Ein 20-nm-Ni-S/D-Metall wurde abgeschieden und durch einen Abhebeprozess strukturiert. Schließlich folgte ein schnelles thermisches Tempern bei 450°C für 30 s zur Dotierstoffaktivierung und zum ohmschen S/D-Kontakt. Die schematischen und mikroskopischen Bilder der hergestellten Ge-pMOSFETs sind in Abb. 1b bzw. c gezeigt.

a Schlüsselprozessablauf für die Herstellung von Ge-pMOSFETs mit GeO₂ Oberflächenpassivierung mit drei verschiedenen Passivierungsmethoden. b Schema und c Mikroskopaufnahmen des hergestellten Ge-Transistors

Der Querschnitt von TaN/HfO₂ /AlO_x /GeO_x /Ge-Gate-Stack wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) dargestellt, um den Einfluss von Sauerstoffplasma oder Ozon auf GeO_{x . zu vergleichen} Formation. Abbildung 2a und b zeigen die Querschnitts-TEM-Bilder von TaN/HfO₂ /AlO_x /GeO_x /Ge-Gate-Stack mit PPO bzw. OPO. Die Dicke des amorphen HfO₂ Schicht in beiden Geräten beträgt 6 nm. Wafer A mit 60s PPO-Behandlung hat ein ausgeprägtes AlO_x /GeO_x Schicht zwischen HfO₂ und Ge-Substrate. Dieses AlO_x /GeO_x Schicht in Wafer B, die durch 20 min OPO gebildet wird, weist einen unordentlichen Rand auf. Die Dicke des GeO_x Schicht stimmt mit den Daten in [10] überein.

Querschnitts-TEM-Bilder des High-k/Metall-Gate-Stapels mit einem AlO_x /GeO_x Grenzschicht (IL) hergestellt von a OPO und b PPO auf einem n-Ge (001)-Kanal

Ergebnisse und Diskussion

Die Ausgangs- und Übertragungseigenschaften in Verbindung mit der hochfrequenten Gate-Source-Kapazitätsspannung (CV) wurden von Keithley 4200-SCS gemessen. Abbildung 3 zeigt den Vergleich der Übertragungs- und Ausgangscharakteristik von Ge-pMOSFETs mit drei verschiedenen Bildungsbedingungen des AlO_x /GeO_x Passivierungsschicht. Alle Geräte auf verschiedenen Wafern haben eine Gate-Länge (L _G ) von 3 μm. Bauelemente auf Wafer A weisen einen höheren gesättigten Drainstrom (I _DS ) im Vergleich zu den anderen beiden Wafern. Wafer B und C mit OPO zeigen jedoch einen viel geringeren Strom im AUS-Zustand (I _AUS ) verglichen mit Wafer A mit PPO. Es ist auch ersichtlich, dass Wafer B und C mit OPO im Anreicherungsmodus und Wafer A im Verarmungsmodus arbeiteten. Daraus wird geschlossen, dass die n-Ge-Oberfläche nach der PPO-Behandlung aufgrund des hohen D . immer noch vom p-Typ ist _es Wert, der in [11] diskutiert wurde. Wafer C mit dickerem Al₂ O₃ Blockschicht zeigt ein positives V _TH Verschiebung gegenüber Wafer B und einem höheren D _es als Wafer B. Aus den in Fig. 3b gezeigten Ausgangskennlinien ist zu erkennen, dass bei einer niedrigen Gatespannung (V _GS ), Wafer A hat ein niedrigeres I _DS über den Wafern B und C aufgrund des weniger steilen Subthreshold-Swings (SS). Wenn das V _GS steigt, ich _DS von Wafer A wird im Vergleich zu den anderen beiden Geräten höher. Daher ist aus Abb. 3 und TEM-Bildern in Abb. 2 die Diffusion des AlO_x /GeO_x Schicht kann das I . unterdrücken _AUS , was zu einer Verbesserung der Passivierungseffekte führt.

a Ich _DS –V _GS und b Ich _DS –V _DS Eigenschaften von Ge-pMOSFETs mit einem Al₂ O₃ /GeO₂ Passivierungsschicht hergestellt aus PPO (Wafer A) und OPO (Wafer B und C)

Abbildung 4 fasst die statistischen Ergebnisse des I . zusammen _EIN /Ich _AUS Ratio und Subthreshold-Swing der Geräte auf verschiedenen Wafern. Ge pMOSFETs mit OPO weisen ein höheres I . auf _EIN /Ich _AUS Verhältnis (~ 4 Größenordnungen) und bemerkenswert verbesserter SS im Vergleich zu PPO-Geräten, was auf eine höhere Qualität der Dielektrikum/Kanal-Schnittstelle hinweist. Im Vergleich zu Wafer B weist Wafer C einen höheren EIN-Zustandsstrom (I _EIN ) aber ein niedrigeres I _EIN /Ich _AUS Verhältnis.

Statistische Diagramme von a SS und b Ich _EIN /ich _AUS Verhältnis für Ge-pMOSFETs mit unterschiedlichen Passivierungsbedingungen

Um die Grenzflächenqualität verschiedener Postoxidationsmethoden weiter darzustellen, wurden die Wafer A, B und C (Dummy-Proben ohne HfO₂ und Gate-Metalle) wurden durch Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) getestet. XPS-Messungen wurden an drei Dummy-Proben nach der Oxidation nach PPO- oder OPO-Behandlung ohne HfO₂ . durchgeführt Abscheidung und TaN-Sputtern. Die Stöchiometrie von GeO_x in Al₂ O₃ /GeO/Ge-Proben wurde mit einer monochromatischen weichen Al Kα-Röntgenquelle (1486,6  eV) untersucht. Ge 3d Peaks und Peak-differenzierende Analyse sind in Abb. 5 gezeigt. Das Ge 3d _5/2 Peak der drei Proben ist bei 29,7 eV vereint, und die chemischen Verschiebungen von Ge 3d _3/2 , Ge ¹⁺ , Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , und Ge ⁴⁺ zu Ge 3d _5/2 werden auf 0,6, 0,8, 1,8, 2,75 bzw. 3,4 eV eingestellt [12]. In Abb. 5b zeigt Wafer A, dass nach 60 s PPO die Haupt-Ge-Valenz in GeO_x sind Ge ¹⁺ und Ge ³⁺ . Eine ähnliche Ge-Valanzzustandsverteilung wird in Wafer C beobachtet, und ein Ge ³⁺ Komponente leicht erhöht. In Fig. 5b zeigt Wafer B, dass ein OPO-Bauelement mit dünnerem (10 Zyklen) Al₂ O₃ wird Ge ¹⁺ . weiter oxidieren in Ge ²⁺ , Ge ³⁺ , und Ge ⁴⁺ , während Ge ¹⁺ wird deutlich reduziert.

a Ge 3d XPS-Spektren von Al₂ O₃ /GeO_x /Ge gebildet durch verschiedene Bedingungen. b Peakfittings des Ge 3d XPS-Spektren von GeO₂ Schicht für die drei Proben

Die CV-Kennlinien von Gate zu Source sind in Abb. 6 dargestellt. Aus der 1-MHz-CV-Kurve wird das D _es Near Midgap wird von Termans geschätzt Methode [13], und ein Wert der äquivalenten Oxiddicke (EOT) wird ebenfalls wie in Tabelle 1 aufgeführt bewertet. Zwanzig-Minuten-OPO (Wafer B und C) führt zu einer höheren EOT im Vergleich zu PPO (Wafer A). Wafer C weist aufgrund des dickeren Al₂ . einen höheren EOT als Wafer B auf O₃ als Sperrschicht. Es wurde berichtet, dass die Dicke von GeO_x auf einer blanken Ge-Oberfläche in O₃ Die Umgebungstemperatur erreicht die Sättigung in wenigen Minuten und die Sättigungsdicke wird von der Temperatur anstelle der Oxidationszeit dominiert [10]. In diesem Papier wird also die Dicke von GeO_x durch Ozon-Nachoxidation ist nach wenigen Minuten gesättigt und die verbleibende Oxidationszeit dient nur dem Tempern.

Gate-Source-Kapazität im Vergleich zu V _GS Eigenschaften von Ge-pMOSFETs, die durch PPO (Wafer A) und OPO (Wafer B und C) passiviert wurden

Abbildung 7 fasst den Gesamtwiderstand (R _T ) gegen L _G jedes Geräts in dieser Arbeit. Hier, R _T ist definiert als V _DS /Ich _DS bei V _DS = 0,05 V und V _GS − V _TH = 1 V. Der Source/Drain (S/D) Serienwiderstand (R _SD ) und Kanalwiderstand (R _CH ) kann aus dem Achsenabschnitt und der Steigung der linearen Anpassung von R . extrahiert werden _T –L _G Linien wie in Abb. 7 gezeigt. Das extrahierte R _SD und R _CH Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Abbildung 7 zeigt, dass die Ge-pMOSFETs mit PPO einen niedrigeren R . aufweisen _SD und R _CH was mit den in Abb. 6 gezeigten Kapazitätsergebnissen übereinstimmt.

Gesamtwiderstand (R _T ) versus Gate-Länge (L _G ) von Ge-pMOSFETs

Effektive Lochbeweglichkeit μ _eff wurde basierend auf einem auf Gesamtwiderstandssteigung basierenden Ansatz extrahiert. In Abb. 8 vergleichen wir die μ _eff unserer Ge-pMOSFETs mit PPO- und OPO-Behandlung mit denen anderer berichteter Ge-pMOSFETs [9, 14]. Q _inv ist die Inversionsladungsdichte im Gerätekanal. Ge pMOSFETs mit OPO weisen einen höheren Peak μ . auf _eff im Vergleich zu den Geräten mit PPO. Wafer C mit dickerem Al₂ O₃ Blockschicht hat eine höhere Spitzenlochmobilität von 283 cm ² /V s im Vergleich zu Wafer B mit dem dünneren Al₂ O₃ . Wafer A mit PPO zeigt ein niedrigeres Hochfeldloch μ _eff bei den Geräten mit OPO, was auf die geringere Rauheitsstreuung zurückzuführen ist. Aber bei niedrigem Feld erreichen Transistoren auf Wafer A mit PPO einen niedrigeren μ _eff als die OPO-Geräte aufgrund der höheren Coulomb-Streuung [15]. Es wurden nur wenige Arbeiten über Ge-pMOSFETs berichtet, die durch Ozonpassivierung hergestellt wurden. Hier wird ein Vergleich der wichtigsten Geräteleistung zwischen unseren Geräten und den berichteten Ge-pMOSFETs durchgeführt, die mit OPO behandelt wurden [9, 14], und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Daraus wird geschlossen, dass Wafer C in dieser Arbeit die hohe erreicht -Feld μ _eff Verbesserung und höher I _EIN /Ich _AUS verglichen mit dem berichteten Gerät, das mit OPO behandelt wurde. Außerdem bei einem Q _inv von 5 × 10 ¹² cm ^− 2 , Wafer C zeigt ein 2,37-fach höheres μ _eff im Vergleich zur Si-Universalmobilität. Das Ich _EIN von Wafer C ist etwas niedriger als in Ref. [9] was auf den größeren EOT zurückzuführen ist.

μ _eff gegen Q _inv von Ge-pMOSFETs mit unterschiedlichen Passivierungsbedingungen. Ge-Transistoren mit 15 Zyklen Al₂ O₃ + 20 min O₃ Oxidation (Wafer C) zeigt einen Peak μ _eff von 283 cm ² /vs. Der Einfluss des S/D-Widerstands auf μ _eff Extraktion wurde durch die auf Gesamtwiderstandssteigung basierende Methode zur Extraktion der effektiven Kanalmobilität entfernt [16]

Schlussfolgerungen

Ge-pMOSFETs werden mit GeO_{x . realisiert} Passivierung, die durch OPO- oder PPO-Behandlung von Al₂ . gebildet wird O₃ /n-Ge in PEALD. Die OPO-Geräte weisen die besseren Übertragungs- und Ausgabeeigenschaften auf, je höher das I _EIN /Ich _AUS Verhältnis, der verbesserte unterschwellige Swing und der höhere Peak μ _eff im Vergleich zu den PPO-Geräten. Für den 15-Zyklen-OPO-Prozess wird ein dickeres Al₂ O₃ Schicht führt zu einem höheren EOT-Wert und einem verbesserten μ _eff in Geräten im Vergleich zum 10-Takt-Fall. Alle Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass der OPO ein effektiver Passivierungsweg ist, um eine qualitativ hochwertige Ge/Dielektrikum-Grenzfläche zu erreichen und somit ein vielversprechender Kandidat für eine Passivierungstechnik für die zukünftige Ge-MOSFET-Herstellung sein kann.

Abkürzungen

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂ ⁺ :

Borfluoridion

EOT:

Äquivalente Oxiddicke

Ge:

Germanium

GeO_x :

Germaniumoxid

HF:

Flusssäure

HfO₂ :

Hafniumdioxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

OPO:

Ozon-Nachoxidation

PPO:

Plasma-Nachoxidation

Q _inv :

Inversionsladungsdichte

SS:

Schwung unter der Schwelle

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

μ _eff :

Effektive Lochbeweglichkeit