Hochleistungs-Germanium-pMOSFETs durch Ozon-induzierte GeOₓ-Passivierung: Vergleichende Analyse mit Plasma-Nachoxidation

Zusammenfassung

Wir vergleichen die elektrische Leistung von Germanium-pMOSFETs, die eine GeO_x-Passivierungsschicht erhalten, die entweder durch Ozon-Nachoxidation (OPO) oder Plasma-Nachoxidation (PPO) gebildet wird. Beide Prozesse werden auf einem Al₂O₃/n-Ge (001)-Substrat angewendet, gefolgt von einer 5 nm dicken HfO₂-Gate-Dielektrikum, die in situ per ALD abgeschieden wird. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Transmissionelektronenmikroskopie (TEM) bestätigen, dass die PPO-Behandlung eine positive Schwellenspannungsverschiebung und ein niedrigeres I_ON/I_OFF-Verhältnis einführt, was auf eine degradierte Grenzfläche hinweist. Im Gegensatz dazu liefert OPO ein vier Größenordnungen höheres I_ON/I_OFF-Verhältnis, einen steileren Subschwellenhub und eine überlegene Trägerbeweglichkeit. Eine dickere Al₂O₃-Blockierschicht im OPO-Prozess verbessert die Beweglichkeit weiter. Insgesamt bietet OPO einen effektiveren Weg zu einer hochwertigen Ge/Oxid-Grenzfläche und verbesserter effektiver Beweglichkeit in Ge-pMOSFETs.

Hintergrund

Konventionelle CMOS-Bauelemente nähern sich ihren physikalischen Grenzen, was Leistungssteigerungen allein mit Silizium erschwert. Germanium mit seiner höheren Trägerbeweglichkeit hat sich als vielversprechendes Kanalmaterial etabliert, doch die Erreichung einer niedrigen Grenzflächenzustandsdichte (D_it) bleibt aufgrund der Instabilität von GeO₂ und hängender Bindungen eine Herausforderung. Zahlreiche Strategien zur Passivierung der Ge/Dielektrikum-Grenzfläche wurden erforscht, wie das Vorabscheiden von Silizium-Monolagen oder die gezielte GeO₂-Aufwachs-Selbstpassivierung. Oxidationstechniken – einschließlich Hochdruckoxidation, Ozon, H₂O-Plasma und Elektronenzyklotronresonanz (ECR)-Plasma – wurden eingesetzt, um D_it zu reduzieren und die thermische Stabilität zu erhöhen.

Jüngste Studien demonstrierten hochleistungsfähige Ge-MOSFETs durch Nachoxidation an einer Al₂O₃/Ge-Grenzfläche. Beispielsweise nutzte ein Ge-CMOS-Inverter auf Ge-auf-Isolator (GeOI) schnelles thermisches Glühen in reinem O₂, um GeO_x nach einer 1 nm Al₂O₃-Schicht aufzuwachsen. Ozonoxidation, reaktiver als O₂, ermöglicht niedrigere Temperaturen und verbessert die GeO_x-Dickenkontrolle und Bauelementleistung. Ein systematischer Vergleich zwischen Ozon- und Plasma-Nachoxidation an derselben Al₂O₃/n-Ge-Grenzfläche fehlte jedoch bisher.

In dieser Arbeit fertigen wir Ge-pMOSFETs sowohl mit OPO als auch PPO an Al₂O₃/n-Ge-Grenzflächen und vergleichen ihre elektrischen Eigenschaften. Alle anderen Prozessschritte sind identisch. Der Einfluss der Al₂O₃-Blockierschichtdicke und der zugrundeliegenden beweglichkeitsmindernden Mechanismen werden ebenfalls untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass OPO eine überlegene Passivierungsmethode für zukünftige Ge-MOSFET-Technologie ist.

Methoden

Ge-pMOSFETs wurden auf 4-Zoll-n-Ge-(001)-Wafern (Widerstand 0,14–0,183 Ω cm) gefertigt. Nach einer verdünnten HF-Reinigung (1:50) wurde ein ~1 nm Al₂O₃-Film bei 300 °C per plasmaunterstützter ALD (PEALD) mit Trimethylaluminium (TMA) und H₂O abgeschieden. Die dünne Al₂O₃/GeO₂-Grenzschicht (bezeichnet AlO_x/GeO_x) wurde dann entweder 60 s Sauerstoffplasma (PPO) über eine Remote-Plasmaquelle oder einer 20-minütigen Ozon-Behandlung (OPO) in einem 50 % O₃/O₂-Gemisch unterzogen. Unmittelbar nach der Oxidation wurde ein 5 nm dickes HfO₂-Gate-Dielektrikum bei 300 °C per ALD (60 Zyklen, TDMAHf und H₂O) abgeschieden. Ein 100 nm dicker TaN-Gate-Metall wurde gesputtert, gefolgt von Lithografie und Ätzen. Source/Drain-Bereiche wurden selbstjustiert mit BF₂⁺ implantiert (20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), mit 20 nm Ni abgedeckt und durch schnelles thermisches Glühen bei 450 °C für 30 s aktiviert.

a Prozessablauf für Ge-pMOSFET-Fertigung mit drei Passivierungsmethoden. b Schema und c REM-Bild des gefertigten Transistors.

Querschnitts-TEM-Bilder zeigen den Gate-Stack TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge für PPO und OPO. Im PPO-Proben trennt eine deutliche AlO_x/GeO_x-Zwischenschicht HfO₂ vom Ge, während die OPO-Probe eine diffusere Grenzfläche zeigt, konsistent mit Literaturberichten zur GeO₂-Dicke.

Querschnitts-TEM des High-k/Metal-Gate-Stacks mit (a) OPO-gebildeten und (b) PPO-gebildeten AlO_x/GeO_x-Grenzschichten auf n-Ge (001).

Ergebnisse und Diskussion

Die Bauelementcharakterisierung erfolgte mit einem Keithley 4200-SCS-System. Alle Transistoren haben eine Gatelänge von 3 µm. Das PPO-Bauelement (Wafer A) zeigt höheren Sättigungs-Drainstrom, aber auch höheren AUS-Zustandsstrom im Vergleich zu den OPO-Bauelementen (Wafer B und C). Wichtig: Die OPO-Bauelemente arbeiten im Sperrmodus, während das PPO-Bauelement im Durchlassmodus verbleibt, was auf einen verbleibenden p-Typ-Charakter durch höhere D_it hinweist.

a I_DS–V_GS und b I_DS–V_DS für PPO (Wafer A) und OPO (Wafer B, C) Ge-pMOSFETs.

Statistische Analyse des I_ON/I_OFF-Verhältnisses und des Subschwellenhubs (SS) bestätigt, dass OPO-Bauelemente bis zu vier Größenordnungen höheres I_ON/I_OFF und einen steileren SS erreichen, was eine sauberere Grenzfläche widerspiegelt. Die Erhöhung der Al₂O₃-Blockdicke von 10 auf 15 Zyklen verbessert den EIN-Zustandsstrom, verringert aber das I_ON/I_OFF-Verhältnis aufgrund eines größeren äquivalenten Oxid-Dickes (EOT).

Statistische Diagramme von a SS und b I_ON/I_OFF für PPO- versus OPO-Bauelemente.

XPS-Messungen an Dummy-Proben (ohne HfO₂ und TaN) zeigen, dass PPO eine GeO_x-Schicht erzeugt, die von Ge¹⁺ und Ge³⁺-Spezies dominiert wird, während OPO eine höhere Oxidationszustandsverteilung ergibt, die die Ge¹⁺-Komponente reduziert und eine vollständigere GeO₂-Bildung anzeigt.

a Ge 3d XPS-Spektren für Al₂O₃/GeO_x/Ge unter PPO, OPO-10 und OPO-15 Bedingungen. b Peak-Anpassung der Ge 3d-Spektren.

Gate-Source-C-V-Messungen bei 1 MHz zeigen, dass der OPO-Prozess zu einem höheren EOT im Vergleich zu PPO führt, wobei das 15-Zyklen-OPO (Wafer C) den größten EOT aufweist. Dies wird auf die dickere Al₂O₃-Blockierschicht zurückgeführt. Trotz des höheren EOT behalten die OPO-Bauelemente überlegenen SS und Beweglichkeit bei.

Gate-Source-C-V von PPO (Wafer A) und OPO (Wafer B, C) Bauelementen.

Gesamtwiderstand (R_T) versus Gatelänge-Analyse zeigt, dass PPO-Bauelemente niedrigere Serien- und Kanalwiderstände haben, konsistent mit den C-V-Daten. Die höheren R_SD und R_CH bei OPO-Bauelementen werden jedoch durch verbesserte Beweglichkeit kompensiert.

R_T versus L_G für die drei Bauelementtypen.

Effektive Lochbeweglichkeit (μ_eff) wurde aus der Gesamtwiderstandssteigung extrahiert. OPO-Bauelemente zeigen höhere Spitzen-μ_eff als PPO, wobei Wafer C (15-Zyklen-OPO) 283 cm²/Vs erreicht. Im Vergleich zur Literatur bedeutet dies eine 2,37-fache Verbesserung gegenüber Siliziums universeller Beweglichkeit bei einer Inversionsladungsdichte von 5 × 10¹² cm⁻². Der Beweglichkeitsvorteil wird auf reduzierte Coulomb-Streuung und bessere Grenzflächenqualität zurückgeführt.

μ_eff versus Q_inv für PPO- und OPO-Bauelemente. Das 15-Zyklen-OPO (Wafer C) erreicht eine Spitzen-μ_eff von 283 cm²/Vs.

Schlussfolgerungen

Wir haben gezeigt, dass Ge-pMOSFETs mit GeO_x-Passivierung, gefertigt via Ozon-Nachoxidation, jene mit Plasma-Nachoxidation übertreffen. OPO liefert höhere I_ON/I_OFF-Verhältnisse, steilere Subschwellenhübe und überlegene Spitzen-μ_eff. Die Erhöhung der Al₂O₃-Blockierschichtdicke im OPO-Prozess verbessert die Beweglichkeit auf Kosten eines größeren EOT. Diese Ergebnisse bestätigen, dass OPO eine effektive Passivierungsstrategie für hochwertige Ge/Oxid-Grenzflächen ist und somit ein vielversprechender Kandidat für die nächste Generation Ge-MOSFET-Technologie darstellt.

Abkürzungen

Al₂O₃:

Aluminiumoxid

ALD:

Atomlagenabscheidung

BF₂⁺:

Borfid-Ion

EOT:

Äquivalente Oxid-Dicke

Ge:

Germanium

GeO_x:

Germaniumoxid

HF:

Flusssäure

HfO₂:

Hafniumdioxid

TEM:

Transmissionelektronenmikroskop

MOSFETs:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren

OPO:

Ozon-Nachoxidation

PPO:

Plasma-Nachoxidation

Q_inv:

Inversionsladungsdichte

SS:

Subschwellenhub

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

μ_eff:

Effektive Lochbeweglichkeit