Optimisation des performances pMOSFET au germanium avec diélectriques ZrO₂ : rôle du recuit post‑métallisation et post‑dépôt

Résumé

Cette étude examine comment le recuit post‑métallisation (PMA) et le recuit post‑dépôt (PDA) influencent la performance électrique de pMOSFETs au germanium (Ge) à canal p employant un diélectrique de grille ZrO₂. Les dispositifs sans PDA montrent des améliorations progressives du courant d'état passant (I_ON), du pente de sous‑seuil (SS) et de l'épaisseur équivalente capacitive (CET) lorsque la température de PMA augmente de 350 °C à 500 °C. La cristallisation du ZrO₂ à des températures PMA plus élevées augmente sa permittivité et réduit la densité d'états d'interface (D_it), conduisant à un CET plus faible et une mobilité effective des trous (μ_eff) plus élevée. Inversement, les dispositifs recevant une étape PDA à 400 °C atteignent un CET plus petit et un SS plus raide, pourtant leur μ_eff est inférieure à celle des dispositifs sans PDA.

Contexte

Le germanium (Ge) est de plus en plus reconnu comme matériau de canal p à haute mobilité pour le CMOS de prochaine génération, offrant des mobilités de trous dépassant significativement le silicium [1–3]. Pour exploiter pleinement cet avantage, un diélectrique de grille de qualité supérieure et une passivation de surface robuste sont essentiels pour obtenir de hautes mobilités effectives de porteurs (μ_eff) et courants de commande dans les transistors Ge [4–7]. Plusieurs diélectriques high‑k — HfO₂, ZrO₂, La₂O₃, Y₂O₃ — ont été explorés pour réduire l'épaisseur équivalente capacitive (CET) sous 1 nm. Parmi eux, le ZrO₂ se distingue par sa constante diélectrique élevée (κ ≈ 28–30 en phase cristalline) et son excellente qualité interfaciale avec le Ge [12–14]. La cristallisation du ZrO₂ a montré qu'elle abaisse le CET et booste μ_eff [15, 16], pourtant l'impact de différentes voies de recuit sur la performance des dispositifs reste sous‑étudié. Ce travail examine comment PMA et PDA affectent les pMOSFETs Ge avec diélectriques ZrO₂, démontrant que des températures PMA plus élevées améliorent nettement μ_eff et réduisent le CET.

Méthodes

Le flux de fabrication des pMOSFETs Ge avec diélectriques ZrO₂ est illustré Figure 1a. Les dispositifs étaient cultivés sur tranches Ge(001) de type n (0,088–0,14 Ω·cm). Après nettoyage séquentiel HF (1:50) et rinçage DI, les tranches entraient dans une chambre ALD. Une étape d'oxydation post‑ozone (OPO) — dépôt d'une couche Al₂O₃ de 1 nm à 300 °C suivie de 15 min d'OPO in‑situ — assurait la passivation de surface. Ensuite, une couche ZrO₂ de 5 nm était déposée à 250 °C précurseurs TDMAZr et H₂O, source Zr chauffée à 85 °C. Certains échantillons subissaient un PDA à 400 °C pendant 60 s dans un four à recuit rapide (tranche II) ; les tranches restantes servaient de groupe sans PDA (tranche I). Une grille TaN de 100 nm était pulvérisée, structurée et gravée. Les régions source/drain étaient formées par implantation BF₂⁺ (30 keV, 1 × 10¹⁵ cm⁻²), suivies de contacts Ni 15 nm par lift‑off. Finalement, le PMA était effectué à 350, 400, 450 et 500 °C pendant 30 s pour activer les dopants et compléter la métallisation.

a Flux de fabrication pour pMOSFETs Ge avec ZrO₂. b Image MEB d'un transistor fini. c Coupe transversale MET‑X montrant la pile grille et source/drain. d HRTEM d'un dispositif recuit à 400 °C. e HRTEM d'un dispositif recuit à 500 °C.

La Figure 1b présente une vue MEB d'un dispositif typique, tandis que la Figure 1c montre la coupe transversale MET‑X mettant en évidence la grille, le diélectrique et les régions source/drain. Les Figures 1d et 1e montrent que la couche ZrO₂ est entièrement cristallisée après PMA à 500 °C, avec une épaisseur interfaciale Al₂O₃ d'environ 0,7 nm.

Résultats et discussion

La Figure 2 montre la capacitance d'inversion (C_inv) versus tension de grille (V_GS) mesurée à 300 kHz pour les dispositifs sur tranche I. Les valeurs CET extraites sont 1,95, 1,80, 1,67 et 1,52 nm pour températures PMA de 350, 400, 450 et 500 °C, respectivement. La réduction du CET avec PMA plus élevé est attribuée à la cristallisation du ZrO₂, qui augmente κ de ~20–23 (amorphe) à ~28–30 (cristallin) et abaisse la densité de pièges volumiques. Ce décalage des courbes C‑V confirme une qualité diélectrique améliorée.

Courbes C_inv–V_GS d'inversion pour pMOSFETs Ge sur tranche I avec PMA à 350, 400, 450 et 500 °C.

La Figure 3a présente les caractéristiques de transfert et la fuite de grille (I_G) pour les dispositifs sur tranche I. Tous les transistors ont L_G = 4 µm et W = 100 µm. La fuite de grille reste inférieure au courant de drain pour toutes températures PMA. Notamment, le dispositif recuit à 500 °C atteint un rapport I_ON/I_OFF > 10⁴. La Figure 3b montre les courbes I_D–V_DS à différents survolts (|V_GS – V_TH|). Comparé à 350 °C, le dispositif 500 °C exhibe des courants de commande 47 % et 118 % plus élevés à V_DS = –1,0 V et |V_GS – V_TH| = 0,8 V, respectivement. La Figure 3c résume les statistiques I_ON à V_DS = –0,5 V et |V_GS – V_TH| = –1 V, confirmant que le recuit 500 °C offre une performance d'état passant supérieure grâce à une résistance source/drain réduite, un CET plus bas et une μ_eff plus haute.

a I_D, I_S et I_G vs V_GS pour dispositifs recuits à 350, 400, 450 et 500 °C. b Courbes I_D–V_DS à divers survolts. c Le dispositif 500 °C montre le I_ON le plus élevé.

La Figure 4 présente les tracés statistiques de D_it à midgap, SS et V_TH pour les différentes températures PMA. Les valeurs D_it extraites (via la méthode de conductance maximale) sont 1,3 × 10¹³, 9,5 × 10¹², 9,2 × 10¹² et 6,3 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹ pour 350, 400, 450 et 500 °C, respectivement. Le dispositif 500 °C démontre le SS le plus raide dû au plus petit D_it et CET. Bien que D_it et SS restent au‑dessus des meilleurs transistors Ge rapportés, une optimisation supplémentaire du processus OPO (épaisseur Al₂O₃, température d'oxydation, durée) pourrait apporter des améliorations additionnelles. V_TH se décale positivement avec l'augmentation de la température PMA, reflétant la réduction du CET et D_it. Globalement, la performance électrique optimale est atteinte avec PMA à 500 °C.

Comparaison de a D_it midgap, b SS, et c V_TH pour dispositifs recuits à 350, 400, 450 et 500 °C.

La mobilité effective des trous (μ_eff) est extraite par la méthode ΔR_tot/ΔL_G [18] sur des dispositifs avec L_G variant de 1,5 à 9 µm. La Figure 5a montre R_tot versus L_G à |V_GS – V_TH| = –1 V et V_DS = –0,05 V ; les valeurs R_SD correspondantes sont 7,85, 7,15, 6,10 et 4,35 kΩ·µm pour 350, 400, 450 et 500 °C, indiquant une activation des dopants améliorée à températures PMA plus élevées. La pente ΔR_tot/ΔL_G est la plus faible pour le dispositif 500 °C, donnant un μ_eff maximal de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ — 31 % plus élevé que l'homologue 400 °C. À densités de charge d'inversion élevées (Q_inv ≈ 1 × 10¹³ cm⁻²), le dispositif 500 °C maintient une mobilité supérieure. Le ZrO₂ cristallin réduit la densité de pièges volumiques, minimisant ainsi la diffusion Coulombienne distante, et l'interface ZrO₂/Ge plus lisse réduit la diffusion par rugosité de surface, déplaçant le pic de mobilité vers des Q_inv plus élevés.

a R_tot vs L_G à |V_GS – V_TH| = –1 V et V_DS = –0,05 V pour dispositifs avec diverses températures PMA. b μ_eff vs Q_inv, mettant en évidence le pic à 500 °C.

Nous examinons ensuite l'influence du PDA sur les caractéristiques des dispositifs. La Figure 6 compare C_inv–V_GS pour dispositifs sur tranche I (sans PDA) et tranche II (PDA à 400 °C) recuits à 400 °C. Le dispositif PDA exhibe un CET nettement plus bas (1,29 nm vs 1,80 nm). La Figure 7a montre que le PDA augmente la fuite de grille, probablement due au CET réduit. Cependant, le dispositif sans PDA délivre un courant de commande 24 % plus haut au même survolt (–0,8 V) en régime de saturation, comme illustré Figure 7b.

Graphiques C_inv–V_GS pour dispositifs sur tranche I et II recuits à 400 °C.

a I_D, I_S et I_G vs V_GS pour dispositifs sur tranche I et II (PMA 400 °C). b Courbes I_D–V_DS à divers survolts.

La Figure 8 résume les résultats statistiques de D_it, SS et V_TH pour dispositifs avec et sans PDA. Le dispositif PDA montre un D_it plus bas et un SS moyen de 142 mV/décade, indiquant une interface ZrO₂/Ge améliorée. V_TH diffère entre les deux groupes, reflétant des variations de densité de pièges près du gap de bande.

Comparaison de a D_it, b SS, et c V_TH pour dispositifs sur tranche I et II recuits à 400 °C.

La Figure 9 montre R_tot vs L_G pour les dispositifs PMA 400 °C. R_SD est 7,15 kΩ·µm (sans PDA) et 7,30 kΩ·µm (PDA). Le dispositif PDA exhibe un μ_eff maximal de 211 cm² V⁻¹ s⁻¹, inférieur au dispositif 400 °C sans PDA. La mobilité réduite est attribuée à une diffusion Coulombienne distante accrue due aux charges fixes dans le diélectrique ZrO₂.

a R_tot vs L_G pour tranche I et II (PMA 400 °C). b μ_eff vs Q_inv pour dispositifs avec et sans PDA.

Conclusions

Nous avons exploré systématiquement comment PMA et PDA affectent les pMOSFETs Ge avec diélectriques ZrO₂. La cristallisation du diélectrique de grille ZrO₂, obtenue par PMA à 500 °C, abaisse substantiellement le CET et booste la mobilité des trous — donnant un μ_eff maximal de 384 cm² V⁻¹ s⁻¹ et un courant de commande amélioré. Bien qu'une étape PDA à 400 °C réduise davantage le CET et D_it, elle compromet la mobilité et augmente la fuite comparé aux dispositifs sans PDA. Ainsi, un PMA haute température sans PDA est la voie privilégiée pour optimiser la performance des pMOSFETs Ge.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

ALD :

Dépôt de couches atomiques

BF₂⁺ :

Ion fluorure de bore

CET :

Épaisseur équivalente capacitive

Ge :

Germanium

HF :

Acide fluorhydrique

HRTEM :

Microscope électronique en transmission haute résolution

IL :

Couche interfaciale

MOSFETs :

Transistors à effet de champ métal‑oxyde‑semi‑conducteur

Ni :

Nickel

PDA :

Recuit post‑dépôt

PMA :

Recuit post‑métallisation

SS :

Pente de sous‑seuil

TaN :

Nitrure de tantale

TDMAZr :

Tétrakis(diméthylamido)zirconium

ZrO₂ :

Dioxyde de zirconium

μ_eff :

Mobilité effective des porteurs