Ge-pMOSFETs mit hoher Mobilität und ZrO2-Dielektrikum:Auswirkungen des Nachglühens

Hintergrund

Germanium (Ge) gilt als eines der attraktivsten p-Kanal-Materialien für fortschrittliche CMOS, da es eine viel höhere Lochbeweglichkeit bietet als Si [1,2,3]. Ein hochwertiges Gate-Dielektrikum und eine effektive Passivierung der Ge-Oberfläche sind der Schlüssel zur Realisierung der überlegenen effektiven Ladungsträgermobilität (μ _eff ) und hoher Ansteuerstrom im Ge-Transistor [4,5,6,7]. Mehrere High--Materialien wie HfO₂ [8], ZrO₂ [7, 9], La₂ O₃ [10] und Y₂ O₃ [11] wurden als alternative Gate-Dielektrika für Ge-p-Typ-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (pMOSFETs) untersucht, um eine Skalierbarkeit der kapazitätsäquivalenten Dicke (CET) auf unter 1 nm zu erreichen. Darunter ZrO₂ Dielektrikum hat aufgrund des viel höheren κ-Wertes [12, 13] und der besseren Grenzflächenqualität [14] im Vergleich zu den Hf-basierten die größte Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Es wurde allgemein berichtet, dass die Kristallisation von ZrO₂ kann die elektrische Leistung von Ge-pMOSFET weiter verbessern, z. B. durch Reduzierung der CET und Erhöhung von μ _eff [15, 16]. Es fehlen jedoch Studien zu den Auswirkungen von Prozessschritten für ZrO₂ Kristallisation auf die Geräteleistung von Ge-Transistoren.

In diesem Beitrag untersuchen wir die Auswirkungen des Post Metal Annealing (PMA) und des Post Deposition Annealing (PDA) auf die elektrische Leistung von Ge-pMOSFETs mit ZrO₂ Dielektrikum. Deutlich verbesserte μ _eff und eine reduzierte CET kann in Geräten mit einer höheren PMA-Temperatur erreicht werden.

Methoden

Wichtige Prozessschritte zur Herstellung von Ge-pMOSFETs mit ZrO₂ Dielektrikum sind in Abb. 1a dargestellt. Die Ge-pMOSFETs wurden auf einem n-Typ Ge(001)-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 0,088–0,14 Ω∙cm hergestellt. Nach mehreren Zyklen chemischer Reinigung in verdünnter HF-Lösung (1:50) und Spülen in DI-Wasser. Ge-Wafer wurde in eine Atomlagenabscheidungs-(ALD)-Kammer geladen. Die Ge-Oberfläche wurde durch eine Ozon-Nachoxidation (OPO) passiviert, d. h. ein ultradünnes Al₂ O₃ Schicht wurde bei 300 °C abgeschieden, und dann wurde die in situ OPO bei 300 °C für 15 min durchgeführt. Danach ein 5 nm dickes ZrO₂ wurde bei 250°C in derselben ALD-Kammer unter Verwendung von TDMAZr und H₂ . abgeschieden O als Vorläufer von Zr bzw. O. Während der Abscheidung wird Zr[N(CH₃ )₂ ]₄ Die Quelle wurde auf 85 °C erhitzt. Der PDA-Prozess wurde an einigen Proben bei 400 °C für 60 Sekunden unter Verwendung des schnellen thermischen Glühens durchgeführt. Proben mit und ohne PDA wurden als Wafer II bzw. I bezeichnet. Dann wurde eine 100 nm dicke TaN-Gate-Elektrode durch reaktives Sputtern abgeschieden. Nach dem Strukturieren und Ätzen des Gates wurden die Source/Drain-(S/D)-Bereiche durch BF₂ . gebildet ⁺ Implantation bei einer Energie von 30 keV und einer Dosis von 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . Fünfzehn-Nanometer-Nickel-S/D-Kontakte wurden durch einen Abhebeprozess gebildet. Schließlich wurde die PMA bei 350, 400, 450 und 500°C für 30 s zur Dotierstoffaktivierung und S/D-Metallisierung durchgeführt.

a Wichtige Prozessschritte zur Herstellung von Ge-pMOSFETs mit ZrO₂ Dielektrikum. b SEM-Aufnahme des hergestellten Transistors. c XTEM-Bild eines Ge-pMOSFET, das die Gate- und S/D-Regionen zeigt. d , e HRTEM-Bilder von Gate-Stapeln von Ge-pMOSFETs auf Wafer I, die bei 400°C bzw. 500°C getempert wurden

Abbildung 1b zeigt das Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild eines hergestellten Ge-pMOSFET. Abbildung 1c zeigt das Querschnittsbild eines Transmissionselektronenmikroskops (XTEM) eines Ge-pMOSFET, das die Source-/Drain-Region, das Metallgate und ZrO₂ . zeigt Dielektrikum. Abbildung 1d und e zeigen die hochauflösenden TEM (HRTEM)-Bilder der Gate-Stapel von Ge-pMOSFETs mit einem PMA bei 400 bzw. 500°C auf Wafer I. Es wird beobachtet, dass das ZrO₂ Dielektrikum war vollständig kristallisiert und wurde einer PMA bei 500°C unterzogen. Die Dicke von Al₂ O₃ Grenzschicht ist ungefähr 0.7 nm.

Ergebnisse und Diskussion

Inversionskapazität C _inv vs. V _GS Kurven, die bei einer Frequenz von 300 kHz für die Bauelemente auf Wafer I gemessen wurden, sind in Abb. 2 gezeigt. Die CET-Werte wurden mit ∼ 1.95, 1.80, 1.67 und 1.52 nm für die Bauelemente mit PMA bei 350, 400, 450 extrahiert. bzw. 500°C. Die kleinere CET wird aufgrund der Kristallisation von ZrO₂ . bei einer höheren PMA-Temperatur erreicht . Im Allgemeinen sind die κ-Werte für amorphes und kristallines ZrO₂ sind etwa 20–23 bzw. 28–30. Ein 5 nm dickes kristallines ZrO₂ trägt einen EOT von ~ 0,7 nm bei. Die Verschiebung von C-V Kurven mit verschiedenen PMA-Temperaturen ist darauf zurückzuführen, dass die Kristallisation die Dichte der Bulk-Fallen in ZrO₂ . verringert Dielektrikum.

Umkehrung C _inv -V _GS Kurven für die Ge-pMOSFETs auf Wafer I mit einem PMA bei 350°C, 400°C, 450°C und 500°C

Abbildung 3a zeigt die gemessenen Übertragungseigenschaften und Gate-Leckströme I _G von Ge-pMOSFETs auf Wafer I mit den unterschiedlichen PMA-Temperaturen. Alle Geräte haben eine Gate-Länge L _G von 4 μm und einer Gate-Breite W von 100 µm. Ge pMOSFETs weisen das viel niedrigere I . auf _G im Vergleich zu ich _DS für alle PMA-Temperaturen. Ein Ich _EIN /Ich _AUS Verhältnis über 10 ⁴ wird für das Gerät mit einem PMA bei 500°C erreicht. Das Ich _DS -V _DS Kurven der Geräte gemessen bei den verschiedenen Gate-Overdrive |V _GS -V _TH | sind in Abb. 3b dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schwellenspannung V _TH ist definiert als das V _GS bei ich _DS von 10 ⁻⁷ A/μm. Der Ge-Transistor mit einem PMA bei 500°C erzielt eine Verbesserung des Ansteuerstroms von ~ 47 % bzw. 118% im Vergleich zu den bei 450°C bzw _DS von − 1.0 V und einem |V _GS -V _TH | von 0.8 V. Abbildung 3c zeigt den statistischen Plot des I _EIN bei einem V _DS von − 0.5 V und einem V _GS -V _TH von − 1 V für Ge-pMOSFETs mit den verschiedenen PMA-Temperaturen. Alle Transistoren in diesem Diagramm haben ein L _G von 4 μm und einem W von 100 µm. Geräte mit einem PMA bei 500°C weisen ein verbessertes I . auf _EIN im Vergleich zu denen mit den niedrigeren PMA-Temperaturen, was auf den verringerten S/D-Widerstand, die verringerte CET und das höhere μ . zurückgeführt wird _eff , auf die später eingegangen wird.

a Gemessen I _D , ich _S , und ich _G vs. V _GS Kurven von Ge-pMOSFETs auf Wafer I mit dem PMA bei 350, 400, 450 und 500°C. b Ich _DS -V _DS Kurven gemessen bei den verschiedenen V _GS -V _TH für die Geräte. c Bei 500°C geglühtes Gerät hat einen höheren Durchlassstrom I _EIN im Vergleich zu den Transistoren mit dem PMA bei den niedrigeren Temperaturen

Abbildung 4 zeigt die statistischen Diagramme von Midgap D _es , SS und V _TH Eigenschaften für die Geräte mit den unterschiedlichen PMA-Temperaturen. Wie in Abb. 4a gezeigt, beträgt der mittlere Abstand D . basierend auf der Methode der maximalen Leitfähigkeit [17] _es Werte werden zu 1,3 × 10 ¹³ . extrahiert , 9,5 × 10 ¹² , 9,2 × 10 ¹² , und 6,3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ für die Geräte mit PMA bei 350, 400, 450 bzw. 500°C. Abbildung 4b zeigt, dass bei 500°C getemperte Ge-pMOSFETs aufgrund des kleineren Midgap D . bessere SS-Eigenschaften aufweisen als die bei niedrigeren Temperaturen getemperten Transistoren _es und MEZ. Die Werte von D _es und SS von Ge-pMOSFETs mit PMA sind immer noch höher als die der am besten berichteten Ge-Transistoren. Es könnte möglicherweise durch Optimierung des OPO-Passivierungsmoduls reduziert werden, z. B. Al₂ O₃ Dicke und Ozonoxidationstemperatur und -dauer. V _TH verschiebt sich zum positiven V _GS mit steigender PMA-Temperatur, die auf die reduzierte CET und D . zurückzuführen ist _es . Daraus wird geschlossen, dass die beste elektrische Leistung für Ge-pMOSFETs mit einem PMA bei 500°C erreicht wird.

Vergleich von a Midgap D _es , b SS und c V _TH für Ge-pMOSFETs auf Wafer I mit PMA bei 350, 400, 450 und 500°C

μ _eff , als ein entscheidender Faktor, der den Treiberstrom und die Transkonduktanz von Ge-pMOSFETs beeinflusst, wurde mit dem ΔR . gemessen _tot /ΔL _G Methode [18]. Eine große Anzahl von Geräten wurde mit L . gemessen _G im Bereich von 1,5 bis 9 µm. Abbildung 5a zeigt den Gesamtwiderstand R _tot extrahiert bei einem |V _GS -V _TH | von − 1 V und einem V _DS von − 0.05 V als Funktion von L _G . Die R _SD ist der Wert, bei dem sich die angepasste Linie am y . schneidet -Achse. Die R _SD die Werte wurden auf 7,85, 7,15, 6,10 und 4,35  kΩ ·μm für Geräte mit PMA bei 350, 400, 450 bzw. 500 °C geschätzt. Dies ist ein Hinweis auf die bessere Dotierstoffaktivierung von S/D bei höherer PMA-Temperatur. μ _eff kann durch μ . extrahiert werden _eff = 1/[WQ _inv (ΔR _tot /ΔL _G )], wobei Q _inv ist die Inversionsladungsdichte im Ge-Kanal und ΔR _tot /ΔL _G ist die Steigung des R _tot vs. L _G wie in Abb. 5a gezeigt. Das kleinere ΔR _tot /ΔL _G für Geräte mit PMA bei 500°C zeigt eine Verbesserung von μ . an _eff im Vergleich zu Transistoren mit PMA bei 450°C. Abbildung 5b zeigt μ _eff als Funktion von Q _inv Kurven, extrahiert mit dem geteilten C -V Methode. Die maximale Lochbeweglichkeit beträgt 384 cm ² . /V ·s für Geräte mit einem PMA bei 500°C, was 31% höher ist als bei Geräten mit einem PMA bei 400°C. Bei hohem Q _inv von 1 × 10 ¹³ cm ⁻² , Ge-pMOSFETs, die einer PMA bei 500 °C unterzogen wurden, erzielen eine Mobilitätsverbesserung im Vergleich zu den bei 400 °C getemperten Bauelementen. Ge-Transistoren mit kristallinem ZrO₂ haben die geringere Dichte der Massenfallenladung, was zu einer geringeren entfernten Coulomb-Streuung von Löchern im Vergleich zu den Geräten mit amorphem ZrO₂ . führt . Aufgrund der glatten Grenzfläche zwischen kristallinem ZrO₂ und Ge, Ge-Vorrichtungen, die bei 500°C getempert wurden, haben eine geringere Streuung der Oberflächenrauheit und zeigen eine Verschiebung der Spitzenmobilität zu einem höheren Q _inv .

a R _tot als Funktion von L _G bei einem V _GS -V _TH von − 1 V und einem V _DS von − 0.05 V für Bauelemente auf Wafer I mit verschiedenen PMA-Temperaturen. b μ _eff vs. Q _inv extrahiert durch den Split C -V Methode. Die höchste Mobilität wird bei Geräten mit einem PMA bei 500°C erreicht

Als nächstes diskutieren wir die Auswirkungen von PDA auf die elektrischen Eigenschaften von Ge-pMOSFETs. Abbildung 6 zeigt das gemessene C _inv vs. V _GS der Ge-pMOSFETs auf Wafer I und Wafer II mit einem PMA bei 400 °C. Das Gerät, das einem PDA bei 400 °C unterzogen wurde, hat einen viel niedrigeren CET-Wert von 1,29 nm im Vergleich zum Gerät ohne PDA von 1,80 nm. Abbildung 7a zeigt das I _D , ich _S , und ich _G -V _GS charakteristische Kurven von Ge-pMOSFETs auf Wafer I und Wafer II und die Vorrichtungen, die einer PMA bei 400 °C unterzogen wurden. Für das Bauelement mit PDA wird im Vergleich zu dem Transistor ohne PDA ein größerer Gate-Leckstrom erhalten, was auf die niedrigere CET zurückzuführen ist. Das entsprechende Ich _DS -V _DS Kurven der Geräte gemessen bei verschiedenen Gate-Overdrive V _GS -V _TH sind in Fig. 7b gezeigt. Der Ge-Transistor ohne PDA zeigt eine Verbesserung des Ansteuerstroms von ~~24% gegenüber dem mit PDA bei 400 °C bei der gleichen Übersteuerung von - 0,8 V im Sättigungsbereich.

C _inv -V _GS Plots für die Bauelemente auf Wafer I und II mit einer PMA bei 400°C

a Ich _D , ich _S , und ich _G vs. V _GS Kurven von Ge-pMOSFETs auf Wafer I und II mit PMA bei 400 °C. b Ich _DS -V _DS Kurven gemessen bei verschiedenen V _GS -V _TH für die Geräte

Abbildung 8 zeigt die statistischen Ergebnisse von Midgap D _es , SS und V _TH der Ge-pMOSFETs mit und ohne PDA. Abbildung 8a zeigt, dass das kleinere D _es wird in Ge-pMOSFETs mit PDA bei 400 °C im Vergleich zu Geräten ohne PDA erreicht. In Abb. 8b wird für Geräte mit PDA bei 400°C der niedrigere Wert des mittleren unterschwelligen Swings von 142 mV/Dekade erreicht, entsprechend der niedrigeren CET und dem niedrigeren D _es . Es zeigt an, dass Geräte mit PDA bei 400°C ein überlegenes ZrO₂ . aufweisen /Ge-Schnittstelle. Abbildung 8c zeigt, dass Geräte mit und ohne PDA ein unterschiedliches V . haben _TH; es kann der Fallendichte in der unteren Bandlückenhälfte zugeschrieben werden, die im V . dominant ist _TH .

Vergleich von a Midgap D _es , b SS und c V _TH für Ge-pMOSFETs auf Wafer I und II mit PMA bei 400°C

Abbildung 9a zeigt die R _tot vs. L _G Kurven bei einem Gate Overdrive von − 1 V und V _DS von − 0,05 V für Geräte mit einem PMA bei 400 °C. Die R _SD die Werte werden für Geräte ohne und mit PDA bei 400°C auf etwa 7,15 bzw. 7,30 kΩ·μm geschätzt. Wie in Abb. 9b gezeigt, ist ein bemerkenswert höherer Peak μ _eff wird für Ge pMOSFETs ohne PDA erreicht, entsprechend dem kleineren ΔR _tot /ΔL _G in Abb. 9a im Vergleich zu Geräten mit PDA. Die Geräte mit einem PDA bei 400°C zeigen einen Peak von μ _eff von 211 cm ² /V·s; die geringere Lochbeweglichkeit könnte hauptsächlich auf die starke Coulomb-Streuung aus der Ferne zurückgeführt werden, die durch die feste Ladung in ZrO₂ . beigesteuert wird Dielektrikum.

a R _tot vs. L _G Kurven für Vorrichtungen auf Wafer I und Wafer II mit PMA bei 400 °C. b Lochbeweglichkeit μ _eff vs. Q _inv für Geräte mit und ohne PDA

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend sind die Auswirkungen von PMA und PDA auf Ge-pMOSFET mit ZrO₂ Dielektrikum wurde ausführlich untersucht. Kristallisation von ZrO₂ Gate-Dielektrikum sorgt im Vergleich zu Bauelementen bei der niedrigeren PMA-Temperatur für eine deutlich verbesserte Lochmobilität und eine reduzierte CET. Eine maximale Lochbeweglichkeit von 384 cm ² /V·s und verbesserter Treiberstrom wurden in Geräten mit PMA bei 500°C erreicht. Geräte mit PDA bei 400°C zeigten die niedrigere CET und die kleinere D _es aber die schlechte Lochbeweglichkeit und der größere Leckstrom im Vergleich zu Transistoren ohne PDA.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂ ⁺ :

Borfluoridion

MEZ:

Kapazitive effektive Dicke

Ge:

Germanium

HF:

Flusssäure

HRTEM:

Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop

IL:

Grenzschicht

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

Ni:

Nickel

PDA:

Glühen nach der Abscheidung

PMA:

Nachglühen des Metalls

SS:

Schwung unter der Schwelle

TaN:

Tantalnitrid

TDMAZr:

Tetrakis (dimethylamido) hafnium

ZrO₂ :

Zirkoniumdioxid

μ _eff :

Effektive Trägermobilität