pMOSFETs germanium haute performance via passivation GeOₓ induite par ozone : analyse comparative avec post-oxydation plasma

Contexte

Les dispositifs CMOS conventionnels approchent leurs limites physiques, rendant difficile d'améliorer les performances avec le silicium seul. Le germanium, avec sa mobilité de porteurs plus élevée, est apparu comme un matériau de canal prometteur, mais obtenir une faible densité d'états d'interface (D_it) reste un défi en raison de l'instabilité du GeO₂ et des liaisons pendantes. De nombreuses stratégies ont été explorées pour passiver l'interface Ge/diélectrique, telles que le pré-dépôt de monocouches de silicium ou l'auto-passivation par croissance intentionnelle de GeO₂. Les techniques d'oxydation — incluant l'oxydation haute pression, l'ozone, le plasma H₂O et la résonance cyclotronique électronique (ECR) plasma — ont été employées pour réduire D_it et améliorer la stabilité thermique.

Des études récentes ont démontré des MOSFETs Ge haute performance par post-oxydation à travers une interface Al₂O₃/Ge. Par exemple, un inverseur CMOS Ge sur Ge-on-insulator (GeOI) a utilisé un recuit thermique rapide en O₂ pur pour faire croître GeO_x après une couche Al₂O₃ de 1 nm. L'oxydation par ozone, plus réactive que l'O₂, permet une croissance à plus basse température et a montré qu'elle améliore le contrôle de l'épaisseur de GeO_x et les performances du dispositif. Cependant, une comparaison systématique entre post-oxydation ozone et plasma sur la même interface Al₂O₃/n‑Ge faisait défaut.

Dans ce travail, nous fabriquons des pMOSFETs Ge en utilisant à la fois OPO et PPO sur des interfaces Al₂O₃/n‑Ge et comparons leurs caractéristiques électriques. Toutes les autres étapes de procédé sont identiques. L'influence de l'épaisseur de la couche de blocage Al₂O₃ et les mécanismes sous-jacents de dégradation de la mobilité sont également examinés. Nos résultats démontrent que l'OPO est une méthode de passivation supérieure pour la future technologie MOSFET Ge.

Méthodes

Les pMOSFETs Ge ont été fabriqués sur des tranches n‑Ge (001) de 4 pouces (résistivité 0,14–0,183 Ω cm). Après un nettoyage HF dilué (1:50), un film Al₂O₃ d'environ 1 nm a été déposé à 300 °C par ALD à plasma renforcé (PEALD) en utilisant le triméthylaluminium (TMA) et H₂O. La fine couche interfaciale Al₂O₃/GeO₂ (dénommée AlO_x/GeO_x) a ensuite été soumise soit à 60 s de plasma oxygène (PPO) via une source plasma distante, soit à un traitement ozone (OPO) de 20 min dans un mélange 50 % O₃/O₂. Immédiatement après l'oxydation, un diélectrique de grille HfO₂ de 5 nm a été déposé à 300 °C par ALD (60 cycles, en utilisant TDMAHf et H₂O). Un métal de grille TaN de 100 nm a été pulvérisé, suivi de lithographie et gravure. Les régions source/drain ont été implantées en auto-alignement avec BF₂⁺ (20 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), coiffées de 20 nm Ni, et activées par recuit thermique rapide à 450 °C pendant 30 s.

a Flux de procédé pour la fabrication de pMOSFETs Ge avec trois méthodes de passivation. b Schématique et c image MEB du transistor fabriqué.

Les images TEM en coupe transversale révèlent la pile de grille TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge pour PPO et OPO. Dans l'échantillon PPO, une intercouche distincte AlO_x/GeO_x sépare HfO₂ du Ge, alors que l'échantillon OPO montre une interface plus diffuse, cohérente avec les rapports de la littérature sur l'épaisseur de GeO₂.

TEM en coupe transversale de la pile grille high-k/métal avec couches interfaciales AlO_x/GeO_x formées par (a) OPO et (b) PPO sur n‑Ge (001).

Résultats et discussion

La caractérisation des dispositifs a été réalisée avec un système Keithley 4200‑SCS. Tous les transistors ont une longueur de grille de 3 µm. Le dispositif PPO (tranche A) montre un courant de drain saturé plus élevé mais aussi un courant d'état OFF plus élevé comparé aux dispositifs OPO (tranches B et C). Important, les dispositifs OPO fonctionnent en mode enhancement, tandis que le dispositif PPO reste en mode déplétion, indiquant un caractère p-type résiduel dû à un D_it plus élevé.

a I_DS–V_GS et b I_DS–V_DS pour pMOSFETs Ge PPO (tranche A) et OPO (tranches B, C).

L'analyse statistique du ratio I_ON/I_OFF et du swing sous-seuil (SS) confirme que les dispositifs OPO atteignent jusqu'à quatre ordres de grandeur plus élevé I_ON/I_OFF et un SS plus raide, reflétant une interface plus propre. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de blocage Al₂O₃ de 10 à 15 cycles améliore le courant d'état passant mais réduit le ratio I_ON/I_OFF en raison d'une épaisseur d'oxyde équivalente (EOT) plus grande.

Graphiques statistiques de a SS et b I_ON/I_OFF pour dispositifs PPO versus OPO.

Les mesures XPS sur échantillons témoins (sans HfO₂ et TaN) révèlent que PPO produit une couche GeO_x dominée par les espèces Ge¹⁺ et Ge³⁺, tandis que OPO produit une distribution d'états d'oxydation plus élevée, réduisant le composant Ge¹⁺ et indiquant une formation de GeO₂ plus complète.

a Spectres XPS Ge 3d pour Al₂O₃/GeO_x/Ge sous PPO, OPO‑10 et OPO‑15. b Ajustement des pics des spectres Ge 3d.

Les mesures C‑V grille-source à 1 MHz montrent que le procédé OPO résulte en un EOT plus élevé comparé à PPO, avec l'OPO 15 cycles (tranche C) exhibant le plus grand EOT. Cela est attribué à la couche de blocage Al₂O₃ plus épaisse. Malgré un EOT plus élevé, les dispositifs OPO maintiennent un SS et une mobilité supérieurs.

C‑V grille-source de dispositifs PPO (tranche A) et OPO (tranches B, C).

L'analyse de la résistance totale (R_T) versus longueur de grille indique que les dispositifs PPO ont des résistances série et de canal plus faibles, cohérent avec les données C‑V. Cependant, les R_SD et R_CH plus élevés pour les dispositifs OPO sont compensés par une mobilité améliorée.

R_T versus L_G pour les trois types de dispositifs.

La mobilité effective de trous (μ_eff) a été extraite de la pente de la résistance totale. Les dispositifs OPO exhibent un μ_eff de pointe plus élevé que PPO, avec la tranche C (OPO 15 cycles) atteignant 283 cm²/Vs. Comparé à la littérature, cela représente une amélioration de 2,37× par rapport à la mobilité universelle du silicium à une densité de charge d'inversion de 5 × 10¹² cm⁻². L'avantage de mobilité est attribué à une diffusion Coulombienne réduite et une meilleure qualité d'interface.

μ_eff versus Q_inv pour dispositifs PPO et OPO. L'OPO 15 cycles (tranche C) atteint un μ_eff de pointe de 283 cm²/Vs.

Conclusions

Nous avons démontré que les pMOSFETs Ge avec passivation GeO_x fabriqués via post-oxydation ozone surpassent ceux utilisant la post-oxydation plasma. L'OPO produit des ratios I_ON/I_OFF plus élevés, des swings sous-seuil plus raides et une mobilité de pointe μ_eff supérieure. L'augmentation de l'épaisseur de la couche de blocage Al₂O₃ dans le procédé OPO améliore la mobilité au prix d'un EOT plus grand. Ces résultats confirment que l'OPO est une stratégie de passivation efficace pour des interfaces Ge/oxyde de haute qualité, en faisant un candidat prometteur pour la future technologie MOSFET Ge.

Abréviations

Al₂O₃:

Oxyde d'aluminium

ALD:

Dépôt de couches atomiques

BF₂⁺:

Ion fluorure de bore

EOT:

Épaisseur d'oxyde équivalente

Ge:

Germanium

GeO_x:

Oxyde de germanium

HF:

Acide fluorhydrique

HfO₂:

Dioxyde d'hafnium

TEM:

Microscope électronique en transmission

MOSFETs:

Transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur

OPO:

Post-oxydation ozone

PPO:

Post-oxydation plasma

Q_inv:

Densité de charge d'inversion

SS:

Swing sous-seuil

XPS:

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

μ_eff:

Mobilité effective de trous