Réduction de la résistance de contact métal-Ge avec intercalaire ZnO et plasma argon : contacts ohmiques Al sur n-Ge

Résumé

Nous présentons une étude systématique de contacts métal-isolant-semiconducteur (MIS) sur n-Ge incorporant une fine couche interfaciale (IL) de ZnO pour supprimer le verrouillage du niveau de Fermi (FLP) à l'interface métal/Ge. Un décalage de bande de conduction modeste de 0,22 eV entre ZnO et n-Ge est observé, qui, avec l'IL, produit une réduction significative de la résistance de contact (R_c) comparé aux dispositifs sans ZnO. Le traitement par plasma argon (Ar) du ZnO améliore davantage R_c en augmentant la concentration de lacunes d'oxygène (V_o), agissant comme dopants de type n. Un comportement ohmique est atteint pour Al/ZnO/n-Ge avec une concentration de porteurs Ge de 3 × 10¹⁶ cm⁻³. Pour du n⁺-Ge fortement dopé (implanté P⁺), une résistivité de contact spécifique de 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² est atteinte avec ZnO traité par plasma Ar.

Contexte

Le germanium offre des mobilités de porteurs supérieures au silicium, en faisant un candidat de choix pour les MOSFET avancés [1, 2]. Si les progrès dans les canaux Ge sous contrainte, la passivation de surface et les contacts source/drain ont mené à des p-FinFETs Ge ultra-miniaturisés surpassant les homologues Si [3–11], les dispositifs Ge de type n luttent encore avec une qualité d'interface médiocre, une activation limitée des dopants de type n, et un FLP fort qui élève la hauteur de barrière Schottky à ~0,5 eV pour la plupart des métaux sur n-Ge [13–15].

L'insertion d'une fine IL comme TiO₂ [16] ou ZnO [17] peut déverrouiller le niveau de Fermi en bloquant les états de gap induits par le métal (MIGS) [18, 19, 20]. Le ZnO est particulièrement attractif car il a un faible décalage de bande de conduction avec Ge, permettant une région d'appauvrissement plus fine et potentiellement une R_c plus faible que TiO₂ (qui a un décalage positif) [16]. De plus, le ZnO peut être facilement dopé de type n via les lacunes d'oxygène (V_o), réduisant davantage la largeur d'appauvrissement. La création conventionnelle de lacunes par recuit azote risque l'interdiffusion et la migration de dopants, nécessitant une approche à basse température [23–25].

Ce travail explore l'atténuation du FLP utilisant des IL ZnO croissants par dépôt de couches atomiques (ALD) et examine l'impact du traitement par plasma Ar sur la résistance de contact d'Al/ZnO/n-Ge.

Méthodes

Les contacts métalliques ont été fabriqués sur des wafers n-Ge(001) légèrement dopés (≈3 × 10¹⁶ cm⁻³) et fortement dopés. Ces derniers ont été produits par implantation P⁺ à 30 keV (1 × 10¹⁵ cm⁻²) suivie d'un recuit thermique rapide 600 °C, 60 s. Après nettoyage à l'eau déionisée et HCl dilué, les wafers ont été transférés dans une chambre ALD (Beneq TSF-200) pour déposer du ZnO à 150 °C en utilisant précurseurs DEZn et H₂O. Trois épaisseurs ZnO (1, 2, 3 nm) ont été examinées ; les épaisseurs vérifiées par ellipsométrie spectroscopique (SE). Les contacts Al ont été pulvérisés et structurés par lift-off. Certains films ZnO ont reçu un traitement plasma Ar (50 W, 60 sccm, 45 s). La résistance de contact a été extraite par la méthode de ligne de transmission circulaire (CTLM) ; le ZnO exposé a été entièrement gravé pour isoler les dispositifs [16]. Les mesures électriques ont utilisé un Keithley 4200 SCS. Les analyses structurales et chimiques ont utilisé MET HR, XPS, et spectroscopie UV-VIS (PerkinElmer LAMBDA 950) pour déterminer le gap de bande du ZnO.

Résultats et Discussion

Caractérisation matérielle d'Al/ZnO/n-Ge

La Figure 1 montre les spectres XPS de bande de valence pour ZnO massif, interface ZnO/Ge, et Ge pur, permettant la détermination du décalage de bande de valence (VBO) de 2,33 eV. Combiné avec le gap de bande ZnO de 3,21 eV (Fig. 2a), le décalage de bande de conduction (CBO) à ZnO/Ge est de 0,22 eV (Fig. 2b), confirmant la suppression effective du FLP. La MET HR (Fig. 3) révèle une couche ZnO amorphe uniforme de 3 nm qui se conforme aux surfaces Al et Ge, avec une fine couche interfaciale GeO_x (<3 nm) formée à la température de dépôt de 150 °C.

Le traitement plasma Ar augmente la densité de lacunes d'oxygène, comme en témoigne le décalage du pic O 1s vers une énergie de liaison plus basse en XPS (Fig. 4). Cet enrichissement en lacunes réduit la barrière de tunnel et la résistance en série à l'interface Al/ZnO, contribuant directement à une R_c plus faible [36]. Le VBO post-plasma diminue de 0,05 eV (Fig. 5), indiquant un CBO de 0,17 eV et une atténuation supplémentaire du FLP.

Performance électrique des contacts Al/ZnO/n-Ge

Les mesures courant-tension (Fig. 6a) montrent que les dispositifs Al/n-Ge sans ZnO présentent un comportement redresseur dû au FLP, tandis que les dispositifs Al/ZnO/n-Ge affichent un courant inverse amélioré et une hauteur de barrière réduite. Une épaisseur ZnO de 2 nm équilibre la suppression MIGS et la résistance en série, donnant la performance optimale. Le traitement plasma Ar de la couche ZnO 2 nm améliore les courants direct et inverse (Fig. 6b), confirmant le rôle du dopage induit par lacunes.

Un comportement ohmique est atteint pour Al/2 nm ZnO/n-Ge sur une gamme de temps d'exposition plasma (15–60 s). La résistance totale R_tot diminue avec la durée du plasma, atteignant une résistivité de contact spécifique de 3,66 × 10⁻³ Ω cm² après 45 s (Fig. 8). La résistance de feuillet du canal Ge reste inchangée, indiquant que le plasma dope sélectivement le ZnO plutôt que le substrat Ge.

Pour du n⁺-Ge fortement dopé, le contact Al/2 nm ZnO (plasma 45 s) présente un excellent comportement ohmique (Fig. 9). Les valeurs extraites sont une résistance de feuillet de 64 Ω/□ et une résistivité de contact spécifique de 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm², surpassant les contacts métal/Ge rapportés précédemment comme Ni/GeSn, Ni/Ge, et Ti/TiO₂/GeO₂/Ge [40–43]. La performance supérieure est attribuée à l'IL ZnO mince et hautement dopé et au FLP réduit.

Conclusions

L'insertion d'une fine IL ZnO déverrouille efficacement le niveau de Fermi dans les structures Al/ZnO/n-Ge, comme confirmé par l'alignement de bandes XPS. Le traitement plasma Ar augmente davantage la concentration de lacunes d'oxygène, améliorant le dopage de type n du ZnO et réduisant dramatiquement la résistance de contact. Des contacts ohmiques Al sont atteints sur n-Ge légèrement et fortement dopé, avec résistivités spécifiques de 3,66 × 10⁻³ Ω cm² (n-Ge) et 2,86 × 10⁻⁵ Ω cm² (n⁺-Ge) lorsque le ZnO est traité par plasma à 50 W pendant 45 s.