具有 ZrO2 电介质的高迁移率 Ge pMOSFET：后退火的影响

背景

锗 (Ge) 已被视为先进 CMOS 的有吸引力的 p 沟道材料之一，因为它提供比 Si 高得多的空穴迁移率 [1,2,3]。高质量的栅极电介质和 Ge 表面的有效钝化是实现卓越的有效载流子迁移率 (μ eff) 和 Ge 晶体管中的高驱动电流 [4,5,6,7]。已经研究了几种高 κ 材料，例如 HfO2 [8]、ZrO2 [7, 9]、La2O3 [10] 和 Y2O3 [11]，作为 Ge p 型金属氧化物半导体场效应的替代栅极电介质晶体管 (pMOSFET) 以实现电容等效厚度 (CET) 向亚 1 nm 的可扩展性。其中，与基于 Hf 的电介质相比，ZrO2 电介质具有更高的 κ 值 [12, 13] 和更好的界面质量 [14]，因此备受关注。据广泛报道，ZrO2 的结晶可以进一步提高 Ge pMOSFET 的电性能，例如降低 CET 和提高 μ 效果 [15, 16]。然而，目前缺乏ZrO2结晶工艺步骤对Ge晶体管器件性能影响的研究。

在本文中，我们研究了金属后退火 (PMA) 和沉积后退火 (PDA) 对具有 ZrO2 电介质的 Ge pMOSFET 电性能的影响。显着改善μ 在更高的 PMA 温度下，器件可以实现更高的效率和更低的 CET。

方法

图 1a 显示了制造具有 ZrO2 电介质的 Ge pMOSFET 的关键工艺步骤。 Ge pMOSFET 在 n 型 Ge(001) 晶片上制造，电阻率为 0.088–0.14 Ω∙cm。在稀释的 HF (1:50) 溶液中进行化学清洗和去离子水冲洗的几个循环之后。 Ge 晶片被装入原子层沉积 (ALD) 室。 Ge 表面通过臭氧后氧化 (OPO) 钝化，即在 300 °C 下沉积超薄 Al2O3 层，然后在 300 °C 下进行原位 OPO 15 分钟。之后，分别使用 TDMAZr 和 H2O 作为 Zr 和 O 的前体，在同一 ALD 室中在 250 °C 下沉积 5 纳米厚的 ZrO2。在沉积过程中，Zr[N(CH3)2]4 源被加热到 85 °C。使用快速热退火在 400 °C 下对某些样品进行 PDA 工艺 60 s。带有和不带有 PDA 的样品分别表示为晶片 II 和 I。然后，通过反应溅射沉积 100 nm 厚的 TaN 栅电极。栅极构图和蚀刻后，通过BF2 ⁺ 形成源/漏（S/D）区 注入能量为 30 keV，剂量为 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻² . 15 纳米镍 S/D 触点是通过剥离工艺形成的。最后，在350、400、450和500 °C下进行30 s的PMA进行掺杂活化和S/D金属化。

一 制造具有 ZrO2 电介质的 Ge pMOSFET 的关键工艺步骤。 b 制造的晶体管的SEM图像。 c Ge pMOSFET 的 XTEM 图像显示了栅极和 S/D 区域。 d , e 分别在 400 °C 和 500 °C 下退火的晶圆 I 上 Ge pMOSFET 栅极堆叠的 HRTEM 图像

图 1b 显示了制造的 Ge pMOSFET 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。图 1c 显示了 Ge pMOSFET 的横截面透射电子显微镜 (XTEM) 图像，显示了源极/漏极区、金属栅极和 ZrO2 电介质。图 1d 和 e 分别显示了在 400 和 500 °C 时在晶圆 I 上具有 PMA 的 Ge pMOSFET 栅极堆叠的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像。观察到 ZrO2 电介质完全结晶并经历了PMA 在 500 °C。 Al2O3界面层厚度约为0.7 nm。

结果与讨论

反相电容C inv 与 V 晶片 I 上的器件在 300 kHz 频率下测量的 GS 曲线如图 2 所示。对于 PMA 为 350、400、450 的器件，CET 值提取为 ~ 1.95、1.80、1.67 和 1.52 nm , 和 500 °C，分别。由于 ZrO2 的结晶，在较高的 PMA 温度下实现了较小的 CET。一般来说，无定形和结晶 ZrO2 的 κ 值分别约为 20-23 和 28-30。 5 纳米厚的结晶 ZrO2 贡献了 ~ 0.7 nm 的 EOT。 C-V 的转变 不同 PMA 温度下的曲线是由于结晶降低了 ZrO2 电介质中体陷阱的密度。

反转 C inv-V 具有 PMA 的晶圆 I 上的 Ge pMOSFET 在 350 °C、400 °C、450 °C 和 500 °C 下的 GS 曲线

图 3a 显示了测量的传输特性和栅极漏电流 I 晶片 I 上具有不同 PMA 温度的 Ge pMOSFET 的 G。所有器件的栅极长度为 L 4 μm的G和栅极宽度W 100 μm。 Ge pMOSFET 表现出低得多的 I G 与 I 相比 DS 适用于所有 PMA 温度。一个我 ON/I OFF 比率高于 10 ⁴ PMA 在 500 °C 下实现的器件。 我 DS-V 在不同栅极过驱动下测量的器件的 DS 曲线 |V GS-V TH|如图 3b 所示。需要注意的是，阈值电压V TH 定义为 V I 处的 GS DS 为 10 ⁻⁷ A/微米。与分别在 450 °C 和 350 °C 和 V 下退火的器件相比，在 500 °C 下具有 PMA 的 Ge 晶体管获得了 ~ 47% 和 118% 的驱动电流改进 DS of − 1.0 V 和 |V GS-V TH| 0.8 V。图3c显示了I的统计图 在 V 时开启 DS of − 0.5 V 和 V GS-V 对于具有各种 PMA 温度的 Ge pMOSFET，TH 为 − 1 V。该图中的所有晶体管都有一个 L G 4 μm 和 W 100 μm。 PMA 在 500 °C 时的器件表现出改进的 I 与具有较低 PMA 温度的那些相比，ON 是由于 S/D 电阻降低、CET 降低和 μ 较高 eff，后面会讲到。

一 测量 I D、我 S 和 I G 对比V 在 350、400、450 和 500℃ °C 下，带有 PMA 的晶圆 I 上的 Ge pMOSFET 的 GS 曲线。 b 我 DS-V 在不同 V 下测得的 DS 曲线 GS-V TH 为设备。 c 在 500 °C 下退火的器件具有更高的导通电流 I 在较低温度下与带有 PMA 的晶体管相比导通

图 4 显示了 midgap D 的统计图 它、SS 和 V 具有不同 PMA 温度的器件的 TH 特性。如图 4a 所示，基于最大电导法[17]，midgap D 它的值被提取为 1.3 × 10 ¹³ , 9.5 × 10 ¹² , 9.2 × 10 ¹² , 和 6.3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ 对于 PMA 分别为 350、400、450 和 500 °C 的器件。图 4b 显示了在 500 °C 下退火的 Ge pMOSFET 比在较低温度下退火的晶体管具有更好的 SS 特性，这是由于较小的中隙 D 它和 CET。 D 的值 它和带有 PMA 的 Ge pMOSFET 的 SS 仍然高于报道最好的 Ge 晶体管。它可以通过优化 OPO 钝化模块来减少，例如 Al2O3 厚度和臭氧氧化温度和持续时间。 V TH 移至正 V GS随着PMA温度的升高，源于CET和D的降低 它。得出的结论是，在 500 °C 时，具有 PMA 的 Ge pMOSFET 可实现最佳电气性能。

a 的比较 中差D 它，b SS 和 c V 晶圆 I 上的 Ge pMOSFET 的 TH，PMA 在 350、400、450 和 500 °C

μ eff 作为影响 Ge pMOSFET 中器件驱动电流和跨导的关键因素，使用 ΔR 进行测量 总/ΔL G方法[18]。使用L测量了大量设备 G 范围从 1.5 到 9 μm。图 5a 说明了总电阻 R 在 |V 处提取 tot GS-V TH| − 1 V 和一个 V DS of - 0.05 V 作为 L 的函数 G. R SD 是拟合线在 y 处相交的值 -轴。 R 对于在 350、400、450 和 500 °C 下具有 PMA 的器件，估计 SD 值分别约为 7.85、7.15、6.10 和 4.35 kΩ ·μm。这表明在较高 PMA 温度下 S/D 的掺杂剂激活效果更好。 μ 可以通过 μ 提取 eff eff =1/[WQ inv(ΔR 总/ΔL G)]，其中 Q inv 是 Ge 通道中的反转电荷密度和 ΔR 总/ΔL G 是 R 的斜率 tot vs. L G 如图 5a 所示。较小的ΔR 总/ΔL PMA 在 500 °C 时的 G 表示 μ 的增强 eff 与在 450 °C 下使用 PMA 的晶体管相比。图 5b 显示了 μ eff 作为 Q 的函数 inv 曲线，使用分割 C 提取 -V 方法。空穴迁移率峰值为384 cm ² /V ·s 对于 PMA 在 500 °C 的器件，比 PMA 在 400 °C 的器件高 31%。在高 Q 1 × 10 ¹³ 的倒数 cm ⁻² ，与在 400 °C 下退火的器件相比，在 500 °C 下进行 PMA 的 Ge pMOSFET 实现了迁移率增强。与具有非晶 ZrO2 的器件相比，具有晶体 ZrO2 的 Ge 晶体管具有较低的体陷阱电荷密度，从而导致空穴的远程库仑散射较低。由于结晶 ZrO2 和 Ge 之间的光滑界面，在 500 °C 下退火的 Ge 器件具有较低的表面粗糙度散射，并显示峰值迁移率向较高的 Q 移动 反诉

一 R 作为 L 的函数的 tot G 在 V GS-V - 1 V 和 V 的 TH 对于具有不同 PMA 温度的晶圆 I 上的器件，DS 为 − 0.05 V。 b μ 效果 对比问 由拆分 C 提取的 inv -V 方法。在 500 °C 时使用 PMA 的器件获得最高迁移率

接下来，我们将讨论 PDA 对 Ge pMOSFET 电气特性的影响。图 6 显示了测得的 C inv 与 V 晶片 I 和晶片 II 上的 Ge pMOSFET 的 GS，在 400 °C 下具有 PMA。与没有 PDA 的设备（1.80 nm）相比，在 400 °C 下使用 PDA 的设备的 CET 值要低得多，为 1.29 nm。图 7a 显示了 I D、我 S 和 I G-V 晶圆 I 和晶圆 II 上 Ge pMOSFET 的 GS 特性曲线，以及在 400 °C 下进行 PMA 的器件。与不带 PDA 的晶体管相比，带 PDA 的器件获得更大的栅极漏电流，这是由于较低的 CET。对应的I DS-V 在不同的栅极过驱动 V 下测量的器件的 DS 曲线 GS-V TH如图7b所示。在 400 °C 下，与 PDA 相比，没有 PDA 的 Ge 晶体管的驱动电流提高了 ~ 24%，同时饱和区的过驱动为 - 0.8 V。

C inv-V 在 400 °C 下使用 PMA 的晶圆 I 和 II 上的器件的 GS 图

一 我 D、我 S 和 I G 对比V 在 400 °C 下使用 PMA 在晶圆 I 和 II 上的 Ge pMOSFET 的 GS 曲线。 b 我 DS-V 在不同 V 下测得的 DS 曲线 GS-V 设备的 TH

图 8 绘制了 midgap D 的统计结果 它、SS 和 V 带有和不带有 PDA 的 Ge pMOSFET 的 TH。图 8a 显示了较小的 D 与不带 PDA 的器件相比，它是在 400 °C 的带有 PDA 的 Ge pMOSFET 中实现的。在图 8b 中，PDA 在 400 °C 时的平均亚阈值摆幅为 142 mV/decade 的较低值，对应于较低的 CET 和较低的 D 它。这表明在 400 °C 下具有 PDA 的器件具有优异的 ZrO2/Ge 界面。图 8c 显示有和没有 PDA 的设备具有不同的 V;这可能归因于 V 中占主导地位的较低带隙一半中的陷阱密度

a 的比较 中差D 它，b SS 和 c V 晶片 I 和 II 上的 Ge pMOSFET 的 TH，PMA 为 400 °C

图 9a 显示了 R tot vs. L G 曲线在栅极过驱动为 − 1 V 和 V 对于在 400 °C 下具有 PMA 的器件，DS 为 − 0.05 V。 R 在 400 °C 下，没有和有 PDA 的设备的 SD 值估计分别为 7.15 和 7.30 kΩ·μm。如图 9b 所示，显着更高的峰值 μ 没有 PDA 的 Ge pMOSFET 实现了 eff，对应较小的 ΔR 总/ΔL 图 9a 中的 G，与带有 PDA 的设备相比。 PDA 装置在 400 °C 时表现出峰值 μ 211 cm ² 的效果 /V·s;较低的空穴迁移率可能主要归因于ZrO2电介质中固定电荷导致的强远程库仑散射。

一 R tot vs. L 在 400 °C 下使用 PMA 的晶圆 I 和晶圆 II 上的器件的 G 曲线。 b 空穴迁移率μ eff vs. Q 带和不带 PDA 的设备的 inv

结论

总之，广泛研究了 PMA 和 PDA 对具有 ZrO2 电介质的 Ge pMOSFET 的影响。与较低 PMA 温度下的器件相比，ZrO2 栅极电介质的结晶提供了显着增强的空穴迁移率和降低的 CET。空穴迁移率峰值为 384 cm ² 在 500 °C 下使用 PMA 的器件已实现 /V·s 和增强的驱动电流。 PDA 温度为 400 °C 的器件表现出较低的 CET 和较小的 D 与没有PDA的晶体管相比，它具有较差的空穴迁移率和较大的漏电流。

数据和材料的可用性

本文包含支持本文结论的数据集。

缩写

ALD：

原子层沉积

BF2 ⁺ ：

硼氟离子

CET：

电容有效厚度

哥：

锗

高频：

氢氟酸

HRTEM：

高分辨透射电子显微镜

IL：

界面层

MOSFET：

金属氧化物半导体场效应晶体管

Ni：

镍

PDA：

沉积后退火

PMA：

后金属退火

SS：

亚阈值摆动

TaN：

氮化钽

TDMAZr：

四（二甲基酰胺基）铪

氧化锆：

二氧化锆

μ 效果：

有效载流子迁移率