Reduzierung des Metall-Ge-Kontaktwiderstands mit ZnO-Zwischenschichten und Argon-Plasma: Ohmsche Al-Kontakte auf n-Ge

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine systematische Studie zu Metall-Isolator-Halbleiter (MIS)-Kontakten auf n-Ge, die eine dünne ZnO-Zwischenschicht (IL) zur Unterdrückung der Fermi-Niveau-Anheftung (FLP) an der Metall/Ge-Grenzfläche einbezieht. Ein moderater Leitungsbandoffset von 0,22 eV zwischen ZnO und n-Ge wird beobachtet, der zusammen mit der IL eine signifikante Reduktion des Kontaktwiderstands (R_c) im Vergleich zu Geräten ohne ZnO ergibt. Argon (Ar)-Plasmabehandlung des ZnO verbessert R_c weiter, indem sie die Konzentration von Sauerstoffvacanzen (V_o) erhöht, die als n-Typ-Dotierer wirken. Ohmsches Verhalten wird für Al/ZnO/n-Ge mit einer Ge-Trägerkonzentration von 3 × 10¹⁶ cm⁻³ erreicht. Für stark dotiertes n⁺-Ge (P⁺ implantiert) wird ein spezifischer Kontaktwiderstand von 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² mit Ar-Plasma-behandeltem ZnO erreicht.

Hintergrund

Germanium bietet überlegene Trägerbeweglichkeiten im Vergleich zu Silizium, was es zu einem Hauptkandidaten für fortschrittliche MOSFETs macht [1, 2]. Während Fortschritte in gestreckten Ge-Kanälen, Oberflächenpassivierung und Source/Drain-Kontakten zu ultraskalierten Ge p-FinFETs führten, die Si-Pendants übertreffen [3–11], kämpfen n-Kanal-Ge-Bauelemente weiterhin mit schlechter Grenzflächenqualität, begrenzter n-Typ-Dotantenaktivierung und starker FLP, die die Schottky-Barrierehöhe auf ~0,5 eV für die meisten Metalle auf n-Ge anhebt [13–15].

Das Einfügen einer dünnen IL wie TiO₂ [16] oder ZnO [17] kann das Fermi-Niveau entpinnen, indem metallinduzierte Lückenzustände (MIGS) blockiert werden [18, 19, 20]. ZnO ist besonders attraktiv, da es einen kleinen Leitungsbandoffset mit Ge hat, was eine dünnere Verarmungszone und potenziell niedrigeren R_c als TiO₂ ermöglicht (das einen positiven Offset hat) [16]. Zusätzlich kann ZnO leicht n-dotiert werden via Sauerstoffvacanzen (V_o), was die Verarmungsbreite weiter reduziert. Konventionelle Vacanzenerzeugung durch Stickstoffglühen riskiert Interdiffusion und Dotantenmigration, was einen Niedertemperaturansatz erforderlich macht [23–25].

Diese Arbeit erforscht FLP-Milderung mittels atomarer Lagendeposition (ALD)-gewachsener ZnO-ILs und untersucht den Einfluss von Ar-Plasmabehandlung auf den Kontaktwiderstand von Al/ZnO/n-Ge.

Methoden

Metallkontakte wurden auf leicht dotiertem (≈3 × 10¹⁶ cm⁻³) und stark dotiertem n-Ge(001) Wafern gefertigt. Letztere wurden durch 30 keV P⁺ Implantation (1 × 10¹⁵ cm⁻²) gefolgt von 600 °C, 60 s schnellem thermischem Glühen hergestellt. Nach Reinigung mit deionisiertem Wasser und verdünnter HCl wurden die Wafer in eine ALD-Kammer (Beneq TSF-200) überführt, um ZnO bei 150 °C mit DEZn und H₂O Vorläuferstoffen abzuscheiden. Drei ZnO-Dicken (1, 2, 3 nm) wurden untersucht; Dicken wurden durch spektroskopische Ellipsometrie (SE) verifiziert. Al-Kontakte wurden gesputtert und durch Lift-off strukturiert. Einige ZnO-Filme erhielten Ar-Plasmabehandlung (50 W, 60 sccm, 45 s). Kontaktwiderstand wurde mit der kreisförmigen Transmissionsleitungsmethode (CTLM) extrahiert; exponiertes ZnO wurde vollständig geätzt, um Geräte zu isolieren [16]. Elektrische Messungen verwendeten einen Keithley 4200 SCS. Strukturelle und chemische Analysen nutzten HRTEM, XPS und UV-VIS-Spektroskopie (PerkinElmer LAMBDA 950) zur Bestimmung der ZnO-Bandlücke.

Ergebnisse und Diskussion

Materialcharakterisierung von Al/ZnO/n-Ge

Abbildung 1 zeigt XPS-Valenzband-Spektren für massives ZnO, ZnO/Ge-Grenzfläche und reines Ge, was die Bestimmung des Valenzbandoffsets (VBO) von 2,33 eV ermöglicht. Kombiniert mit der ZnO-Bandlücke von 3,21 eV (Abb. 2a) beträgt der Leitungsbandoffset (CBO) an ZnO/Ge 0,22 eV (Abb. 2b), was effektive FLP-Unterdrückung bestätigt. HRTEM (Abb. 3) offenbart eine gleichmäßige, amorphe 3 nm ZnO-Schicht, die sich den Al- und Ge-Oberflächen anpasst, mit einer dünnen GeO_x-Grenzschicht (<3 nm), die bei der Abscheidetemperatur von 150 °C gebildet wird.

Ar-Plasmabehandlung erhöht die Dichte der Sauerstoffvacanzen, wie durch die Verschiebung des O 1s Peaks zu niedrigerer Bindungsenergie in XPS belegt (Abb. 4). Diese Vacanzanreicherung reduziert die Tunnelbarriere und den Serienwiderstand an der Al/ZnO-Grenzfläche, was direkt zu niedrigerem R_c beiträgt [36]. Nach Plasma verringert sich VBO um 0,05 eV (Abb. 5), was einen CBO von 0,17 eV und weitere FLP-Milderung anzeigt.

Elektrische Leistung von Al/ZnO/n-Ge Kontakten

Strom-Spannungs-Messungen (Abb. 6a) zeigen, dass Al/n-Ge-Geräte ohne ZnO aufgrund von FLP gleichrichtendes Verhalten aufweisen, während Al/ZnO/n-Ge-Geräte verbesserten Rückwärtsstrom und reduzierte Barrierehöhe zeigen. Eine 2 nm ZnO-Dicke balanciert MIGS-Unterdrückung und Serienwiderstand und liefert die optimale Leistung. Ar-Plasmabehandlung der 2 nm ZnO-Schicht verstärkt sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsströme (Abb. 6b), was die Rolle der vacanzinduzierten Dotierung bestätigt.

Ohmsches Verhalten wird für Al/2 nm ZnO/n-Ge über einen Bereich von Plasmaexpositionszeiten (15–60 s) erreicht. Der Gesamtwiderstand R_tot nimmt mit Plasmasdauer ab und erreicht einen spezifischen Kontaktwiderstand von 3,66 × 10⁻³ Ω cm² nach 45 s (Abb. 8). Der Schichtwiderstand des Ge-Kanals bleibt unverändert, was anzeigt, dass das Plasma ZnO selektiv dotiert und nicht den Ge-Substrat.

Für stark dotiertes n⁺-Ge zeigt der Al/2 nm ZnO Kontakt (Plasma-behandelt 45 s) exzellentes ohmsches Verhalten (Abb. 9). Extrahierte Werte sind ein Schichtwiderstand von 64 Ω/□ und ein spezifischer Kontaktwiderstand von 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm², was zuvor berichtete Metall/Ge-Kontakte wie Ni/GeSn, Ni/Ge und Ti/TiO₂/GeO₂/Ge [40–43] übertrifft. Die überlegene Leistung wird der dünnen, hochdotierten ZnO-IL und der reduzierten FLP zugeschrieben.

Schlussfolgerungen

Das Einfügen einer dünnen ZnO-IL entpinnt das Fermi-Niveau in Al/ZnO/n-Ge-Strukturen effektiv, wie durch XPS-Bandausrichtung bestätigt. Ar-Plasmabehandlung erhöht die Sauerstoffvacanzkonzentration weiter, verbessert n-Typ-Dotierung von ZnO und reduziert den Kontaktwiderstand drastisch. Ohmsche Al-Kontakte werden auf sowohl leicht als auch stark dotiertem n-Ge erreicht, mit spezifischen Widerständen von 3,66 × 10⁻³ Ω cm² (n-Ge) und 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² (n⁺-Ge) bei ZnO-Plasmabehandlung mit 50 W für 45 s.

Abkürzungen

ALD

Atomare Lagendeposition

CBO

Leitungsbandoffset

CTLM

Kreisförmige Transmissionsleitungsmethode

FN

Fowler-Nordheim

FLP

Fermi-Niveau-Anheftung

HRTEM

Hochauflösendes Transmissionelektronenmikroskop

MIGS

Metallinduzierte Lückenzustände

PF

Poole-Frenkel

TE

Thermoionische Emission

VBO

Valenzbandoffset

XPS

Röntgenphotoelektronenspektroskopie