非晶硅钝化实现高迁移率 Ge p-MOSFET：晶面取向效应

摘要

我们证明室温磁控溅射沉积的非晶硅（a-Si）钝化，使 (001) 取向衬底上的锗（Ge）p-MOSFET 达到创纪录的高效空穴迁移率。0.9 nm a-Si 封层下，（001）器件峰值 μeff 达 278 cm²/V·s——近乎 Si 通用迁移率的三倍——同时保持低亚阈值摆宽和低漏电。(011) 和 (111) 取向器件迁移率较低、界面态密度较高，凸显晶面取向在 Ge-MOSFET 设计中的关键作用。

背景

锗提供比硅更高的空穴迁移率和更低热预算，成为下一代 CMOS 和薄膜晶体管的吸引人选择。发挥该潜力需要极低缺陷密度的界面。非晶 Si 封层作为领先钝化策略浮现，因其抑制界面态、具良好热稳定性、可通过物理气相沉积（PVD）低温沉积。本工作利用磁控溅射在 Ge(001)、Ge(011) 和 Ge(111) 晶圆上生长 a-Si，随后评估电学性能。

方法

图 1a 展示工艺流程。稀 HF (1:50) 清洗后，50 W 功率溅射 60-100 秒沉积 0.5-0.9 nm a-Si 层。原子层沉积（ALD，250 °C，TDMAHf/H₂O）沉积 5 nm HfO₂ 栅介质。溅射 50 nm TaN 栅电极，光刻蚀刻。BF₂⁺ 离子（30 keV，1×10¹⁵ cm⁻²）注入源/漏，继之 15 nm Ni 金属化和 400 °C 快速热退火激活。图 1b 和 1c 示完成器件剖面和俯视图。

0.5 nm 和 0.9 nm a-Si 栅堆叠的透射电镜（图 2）显示较薄封层完全氧化，较厚封层退火后保留两层 Si 单层。因此 Si/SiO₂ 界面层（IL）取决于 a-Si 厚度。

结果与讨论

图 3a 显示 0.9 nm a-Si 下 (001)、(011) 和 (111) 器件的 Id-Vg 和 Ig-Vg 曲线。所有器件展现优异传输特性（Lg=3 μm，W=100 μm，沟道方向 [110]）。Vg-Vth = -0.8 V 时，（001）晶体管给出最高 Ion（图 3b），归因于其优越 μeff。统计分析（图 4）确认 (001) 器件在三取向中 Ion 最高、漏电最低、亚阈值摆宽（SS）最佳、Vth 最有利。

电容-电压测量（图 5）显示三取向反型电容近乎相同（~1.56 μF/cm²），表明 a-Si 沉积速率与晶面无关。由此电容等效厚度（CET）为 2.2 nm。微小 Vth 偏移与晶圆间微小掺杂差异一致。

迁移率提取（图 6）显示 (001) 器件在 Qinv ≈ 3.5×10¹² cm⁻² 处峰值 μeff 达 278 cm²/V·s——近乎 Si 通用值的三倍。更高 μeff 归因于界面态密度（Dit）降低而非表面粗糙度，后者在各取向中相当。

图 7 探讨 a-Si 厚度对 (111) 器件影响。tSi 从 0.9 nm 减至 0.5 nm 在 Vds=-1.5 V、Vg-Vth=-0.8 V 下使 Ion 提升 32%，但同时恶化 SS 并增加漏电，因 Dit 升高。图 8 量化权衡：薄封层降低 CET、提高 Cinv，增大驱动电流，但高 Dit 导致较差 SS 和漏电。

图 9 显示 0.5 nm 封层在高 Qinv 下产生最高 μeff（229 cm²/V·s），但代价是 Dit 增加。从 Cinv-Vg 提取的 CET 值（图 9a）分别为 tSi=0.5、0.7、0.9 nm 时的 1.8、1.9 和 2.2 nm。

文献基准测试（图 10）确认我们的 a-Si 钝化提供有竞争力的 μeff，但进一步优化可缩小与 Si₂H₆ 基技术的差距。

最后，(001) 器件使用较薄 a-Si (0.5 nm) 显示 Ion 改善但漏电略高于 0.9 nm 对应器件，阐释 CET 与 Dit 间的权衡。

Dit 从 SS 测量提取（公式 1）并绘制对各取向的 tSi 依赖关系（图 12）。最低 Dit 值见于 0.9 nm 的 (001) 器件和 0.7 nm 的 (111) 器件。此相关性解释 (001) 器件优异 SS 的由来。

结论

室温磁控溅射非晶 Si 钝化制得高驱动电流、低漏电的 Ge p-MOSFET，尤以 (001) 衬底最佳。0.9 nm a-Si 封层产生峰值 μeff 278 cm²/V·s，较 Si 提升 2.97 倍，且具优异 SS。将封层减薄至 0.5 nm 通过更薄 CET 进一步提升 Ion，但以增加 Dit、提高漏电和恶化 SS 为代价。结果表明，Ge 基器件中必须同时优化晶面取向和 a-Si 厚度，以平衡驱动电流、漏电和界面质量。

缩写

ALD

原子层沉积

BF₂⁺

氟化硼离子

CET

电容等效厚度

Ge

锗

GeOₓ

氧化锗

HF

氢氟酸

HfO₂

二氧化铪

HRTEM

高分辨透射电镜

IL

界面层

MOSFETs

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

Ni

镍

Si

硅

SS

亚阈值摆宽

TaN

氮化钽

TDMAHf

四(二甲基氨基)铪