臭氧诱导GeOₓ钝化实现高性能Ge pMOSFET：与等离子体后氧化的比较分析

摘要

我们比较了通过臭氧后氧化(OPO)或等离子体后氧化(PPO)形成GeO_x钝化层的Ge pMOSFET电学性能。两工艺均应用于Al₂O₃/n-Ge (001)衬底，随后原位ALD沉积5 nm HfO₂栅极介质。X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)证实，PPO处理引入正阈值电压偏移和较低I_ON/I_OFF比，表明界面退化。相反，OPO产生高四数量级的I_ON/I_OFF比、更陡峭的亚阈值摆幅和优异载流子迁移率。OPO工艺中更厚的Al₂O₃阻挡层进一步提升迁移率。总体而言，OPO为实现高质量Ge/氧化物界面和改善Ge pMOSFET有效迁移率提供了更有效途径。

背景

传统CMOS器件逼近物理极限，仅靠硅难以提升性能。锗因其更高载流子迁移率成为有前景的沟道材料，但因GeO₂不稳定和悬空键，实现低密度界面态(D_it)仍具挑战。已探索多种策略钝化Ge/介质界面，如预沉积硅单层或有意GeO₂生长工程化自钝化。包括高压氧化、臭氧、H₂O等离子体和电子回旋共振(ECR)等离子体在内的氧化技术被用于降低D_it和增强热稳定性。

近期研究通过Al₂O₃/Ge界面后氧化展示了高性能Ge MOSFET。例如，GeOI上Ge CMOS反相器在1 nm Al₂O₃层后用纯O₂快速热退火生长GeO_x。臭氧氧化比O₂反应性更强，能实现更低温度生长，并改善GeO_x厚度控制和器件性能。然而，缺乏在相同Al₂O₃/n-Ge界面上臭氧与等离子体后氧化的系统比较。

本工作在Al₂O₃/n-Ge界面用OPO和PPO制备Ge pMOSFET并比较其电学特性。所有其他工艺步骤相同。也考察了Al₂O₃阻挡层厚度和迁移率退化机制的影响。结果表明OPO是未来Ge MOSFET技术的优越钝化方法。

方法

Ge pMOSFET在4英寸n-Ge (001)晶圆(电阻率0.14-0.183 Ω·cm)上制备。稀HF(1:50)清洗后，300℃等离子体增强ALD(PEALD)用三甲基铝(TMA)和H₂O沉积~1 nm Al₂O₃薄膜。薄Al₂O₃/GeO₂界面层(记作AlO_x/GeO_x)分别经历60秒氧气等离子体(PPO，远程等离子体源)或20分钟臭氧(OPO，50% O₃/O₂混合气)处理。氧化后立即以300℃ ALD(60循环，TDMAHf和H₂O)沉积5 nm HfO₂栅极介质。溅射100 nm TaN栅极金属，后刻蚀。源/漏区自对准BF₂⁺注入(20 keV, 1×10¹⁵ cm⁻²)，覆盖20 nm Ni，450℃快速热退火30秒活化。

a 三种钝化方法的Ge pMOSFET制备流程。b 示意图和c 制备晶体管SEM图像。

截面TEM图像揭示PPO和OPO的TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge栅极堆叠。PPO样品中明显的AlO_x/GeO_x中间层将HfO₂与Ge分离，而OPO样品显示更弥散界面，符合文献关于GeO₂厚度的报道。

n-Ge (001)上高k/金属栅极堆叠截面TEM：(a) OPO形成和(b) PPO形成的AlO_x/GeO_x界面层。

结果与讨论

器件用Keithley 4200-SCS系统表征。所有晶体管栅长3 µm。PPO器件(晶圆A)显示较高饱和漏电流但也较高关态电流，相较OPO器件(晶圆B、C)。重要的是OPO器件工作在增强模，而PPO器件维持耗尽模，表明因较高D_it残留p型特性。

a PPO(晶圆A)和OPO(晶圆B、C) Ge pMOSFET的I_DS–V_GS和b I_DS–V_DS。

I_ON/I_OFF比和亚阈值摆幅(SS)统计分析确认OPO器件实现高达四数量级更高I_ON/I_OFF和更陡峭SS，反映更洁净界面。将Al₂O₃阻挡层厚度从10增加到15循环改善导通电流，但因等效氧化层厚度(EOT)增大而降低I_ON/I_OFF比。

PPO与OPO器件的a SS和b I_ON/I_OFF统计图。

虚拟样品(无HfO₂和TaN)XPS测量显示，PPO产生以Ge¹⁺和Ge³⁺主导的GeO_x层，而OPO产生更高氧化态分布，减少Ge¹⁺成分，表明更完全GeO₂形成。

a PPO、OPO-10和OPO-15条件下Al₂O₃/GeO_x/Ge的Ge 3d XPS谱。b Ge 3d谱峰拟合。

1 MHz栅-源C-V测量显示OPO工艺导致比PPO更高EOT，15循环OPO(晶圆C)表现出最大EOT，归因于更厚Al₂O₃阻挡层。尽管EOT较高，OPO器件保持优异SS和迁移率。

PPO(晶圆A)和OPO(晶圆B、C)器件栅-源C-V。

总电阻(R_T)随栅长分析表明PPO器件系列和沟道电阻较低，符合C-V数据。然而OPO器件较高R_SD和R_CH被改善的迁移率补偿。

三种器件类型R_T对L_G关系。

从总电阻斜率提取有效空穴迁移率(μ_eff)。OPO器件展现比PPO更高峰值μ_eff，晶圆C(15循环OPO)达283 cm²/Vs。对比文献，这在反型电荷密度5×10¹² cm⁻²下比硅通用迁移率提升2.37倍。迁移率优势归因于库仑散射减少和界面质量改善。

PPO和OPO器件μ_eff对Q_inv关系。15循环OPO(晶圆C)峰值μ_eff达283 cm²/Vs。

结论

我们证明了采用臭氧后氧化GeO_x钝化的Ge pMOSFET优于等离子体后氧化。OPO产生更高I_ON/I_OFF比、更陡峭亚阈值摆幅和优异峰值μ_eff。OPO工艺中增加Al₂O₃阻挡层厚度以牺牲更大EOT为代价提升迁移率。这些发现确认OPO是实现高质量Ge/氧化物界面的有效钝化策略，使其成为下一代Ge MOSFET技术的有力候选者。

缩略语

Al₂O₃:

氧化铝

ALD:

原子层沉积

BF₂⁺:

氟化硼离子

EOT:

等效氧化层厚度

Ge:

锗

GeO_x:

氧化锗

HF:

氢氟酸

HfO₂:

二氧化铪

TEM:

透射电子显微镜

MOSFETs:

金属-氧化物-半导体场效应晶体管

OPO:

臭氧后氧化

PPO:

等离子体后氧化

Q_inv:

反型电荷密度

SS:

亚阈值摆幅

XPS:

X射线光电子能谱

μ_eff:

有效空穴迁移率