오존 및 플라즈마 후 산화에 의해 형성된 GeOx 패시베이션이 있는 Ge pMOSFET

결과 및 토론

고주파수 게이트-소스 커패시턴스-전압(CV)과 결합된 출력 및 전달 특성은 Keithley 4200-SCS로 측정되었습니다. 그림 3은 AlO_{x의 3가지 다른 형성 조건에 따른 Ge pMOSFET의 전달 및 출력 특성 비교를 보여줍니다.} /GeO_x 패시베이션 층. 다양한 웨이퍼의 모든 장치는 게이트 길이(L _G ) 3 μm. 웨이퍼 A의 장치는 더 높은 포화 드레인 전류(I _DS ) 다른 두 웨이퍼와 비교됩니다. 그러나 OPO가 있는 웨이퍼 B와 C는 훨씬 더 낮은 OFF 상태 전류를 보여줍니다(I _꺼짐 ) PPO가 있는 웨이퍼 A와 비교됩니다. 또한 OPO가 있는 웨이퍼 B와 C는 향상 모드에서 작동하고 웨이퍼 A는 공핍 모드에서 작동하는 것으로 나타났습니다. PPO 처리 후에도 n-Ge 표면은 높은 D _그것 [11]에서 논의된 값. 더 두꺼운 Al₂이 있는 웨이퍼 C O₃ 블록 레이어는 양의 V를 나타냅니다. _TH 웨이퍼 B와 비교하여 이동하고 더 높은 D _그것 그림 3b의 출력 특성에서 낮은 게이트 전압(V _GS ), 웨이퍼 A는 더 낮은 I _DS 덜 가파른 하위 임계값 스윙(SS)으로 인해 웨이퍼 B와 C에 비해 V일 때 _GS 증가, 나 _DS 웨이퍼 A의 비율은 다른 두 장치에 비해 높아지고 있습니다. 따라서 그림 3과 그림 2의 TEM 이미지로부터 AlO_{x의 확산} /GeO_x 레이어는 I를 억제할 수 있습니다. _꺼짐 , 따라서 패시베이션 효과가 향상됩니다.

아 나 _DS –V _GS 그리고 b 나 _DS –V _DS Al₂가 있는 Ge pMOSFET의 특성 O₃ /GeO₂ PPO(웨이퍼 A) 및 OPO(웨이퍼 B 및 C)로 제작된 패시베이션 층

그림 4는 I의 통계적 결과를 요약합니다. _켜기 /나 _꺼짐 다른 웨이퍼에 있는 장치의 비율 및 하위 임계값 스윙. OPO가 있는 Ge pMOSFET는 더 높은 I를 나타냅니다. _켜기 /나 _꺼짐 비율(~ 4 자릿수) 및 PPO 장치와 비교하여 SS가 현저히 개선되어 유전체/채널 인터페이스의 품질이 더 높음을 나타냅니다. 웨이퍼 B와 비교할 때 웨이퍼 C는 더 높은 ON 상태 전류(I _켜기 ) 그러나 낮은 나 _켜기 /나 _꺼짐 비율.

a의 통계 도표 SS 및 b 나 _켜기 /나 _꺼짐 패시베이션 조건이 다른 Ge pMOSFET의 비율

다양한 사후 산화 방법의 계면층 품질을 추가로 나타내기 위해 웨이퍼 A, B 및 C(HfO₂가 없는 더미 샘플 및 게이트 금속)을 X선 광전자 분광법(XPS)으로 테스트했습니다. XPS 측정은 HfO₂ 없이 PPO 또는 OPO 처리 후 산화 후 더미 샘플 3개에 대해 수행되었습니다. 증착 및 TaN 스퍼터링. GeO_{x의 화학량론} Al₂에서 O₃ /GeO/Ge 샘플은 단색 연질 Al Kα(1486.6 eV) X선 소스로 조사되었습니다. Ge 3d 피크 및 피크 미분 분석은 그림 5에 나와 있습니다. Ge 3d _5/2 세 샘플의 피크는 29.7 eV에서 통일되고 Ge 3d의 화학적 이동 _3/2 , Ge ¹⁺ , Ge ²⁺ , Ge ³⁺ 및 Ge ⁴⁺ Ge 3d까지 _5/2 각각 0.6, 0.8, 1.8, 2.75, 3.4 eV로 설정되어 있습니다[12]. 그림 5b에서 웨이퍼 A는 60초 PPO 이후 GeO_{x의 주요 Ge 원자가가} Ge ¹⁺ 입니다. 및 Ge ³⁺ . 유사한 Ge 원자가 상태 분포가 웨이퍼 C에서 관찰되고 Ge ³⁺ 구성 요소가 약간 증가합니다. 그림 5b에서 웨이퍼 B는 더 얇은(10 주기) Al₂을 가진 OPO 장치를 보여줍니다. O₃ Ge ¹⁺ 를 더욱 산화시킵니다. Ge ²⁺ 로 , Ge ³⁺ 및 Ge ⁴⁺ , Ge ¹⁺ 현저히 감소합니다.

아 Ge 3d Al₂의 XPS 스펙트럼 O₃ /GeO_x /G는 다른 조건에 의해 형성됩니다. ㄴ Ge 3d의 피크 피팅 GeO₂의 XPS 스펙트럼 세 개의 샘플에 대한 레이어

게이트-소스 CV 특성은 그림 6에 나와 있습니다. 1MHz CV 곡선에서 D _그것 미드갭 근처는 Terman's에 의해 추정됩니다. 방법 [13], 그리고 등가 산화물 두께(EOT) 값도 표 1에 나열된 대로 평가됩니다. 20분 OPO(웨이퍼 B 및 C)는 PPO(웨이퍼 A)에 비해 더 높은 EOT를 생성합니다. 웨이퍼 C는 더 두꺼운 Al₂로 인해 웨이퍼 B보다 더 높은 EOT를 나타냅니다. O₃ 차단층으로. GeO_{x의 두께가} O₃의 베어 Ge 표면에서 주변 온도는 몇 분 안에 포화 상태에 도달하고 포화 두께는 산화 시간 대신 온도에 의해 좌우됩니다[10]. 따라서 이 논문에서 GeO_{x의 두께는} 오존 후 산화에 의해 몇 분 후에 포화되고 남은 산화 시간은 어닐링을 위한 것입니다.

게이트-소스 커패시턴스 대 V _GS PPO(웨이퍼 A) 및 OPO(웨이퍼 B 및 C)에 의해 부동태화된 Ge pMOSFET의 특성

그림 7은 총 저항을 요약합니다(R _T ) 대 L _G 이 작품의 각 장치. 여기, R _T V로 정의됩니다. _DS /나 _DS V에서 _DS =0.05 V 및 V _GS − V _TH =1 V. 소스/드레인(S/D) 직렬 저항(R _SD ) 및 채널 저항(R _CH )는 R의 선형 피팅의 절편과 기울기에서 추출할 수 있습니다. _T –엘 _G 그림 7과 같은 라인. 추출된 R _SD 및 R _CH 결과는 표 1에 요약되어 있습니다. 그림 7은 PPO가 있는 Ge pMOSFET가 더 낮은 R _SD 및 R _CH 이는 그림 6에 표시된 커패시턴스 결과와 일치합니다.

총 저항(R _T ) 대 게이트 길이(L _G ) Ge pMOSFET

효과적인 구멍 이동성 μ _에프 총 저항 기울기 기반 접근 방식을 기반으로 추출되었습니다. 그림 8에서는 μ _에프 PPO 및 OPO 처리가 적용된 Ge pMOSFET의 다른 보고된 Ge pMOSFET[9, 14]. 질문 _인보이스 는 장치 채널의 반전 전하 밀도입니다. OPO가 있는 Ge pMOSFET는 더 높은 피크 μ를 나타냅니다. _에프 PPO가 있는 장치와 비교합니다. 더 두꺼운 Al₂이 있는 웨이퍼 C O₃ 블록 레이어는 283 cm ² 의 더 높은 피크 홀 이동도를 가집니다. /V는 더 얇은 Al₂이 있는 웨이퍼 B와 비교 O₃ . PPO가 있는 웨이퍼 A는 더 낮은 하이필드 홀 μ을 나타냅니다. _에프 더 낮은 거칠기 산란에 기인하는 OPO가 있는 장치와 함께. 그러나 낮은 필드에서 PPO가 있는 웨이퍼 A의 트랜지스터는 더 낮은 μ를 달성합니다. _에프 더 높은 쿨롱 산란으로 인해 OPO 장치보다 오존 패시베이션에 의해 제조된 Ge pMOSFET에 대한 몇 가지 작업만이 보고되었습니다. 여기에서는 OPO[9, 14]로 처리된 보고된 Ge pMOSFET와 우리 장치 사이의 주요 장치 성능을 비교하고 결과를 표 2에 표시합니다. 이 작업에서 웨이퍼 C는 높은 -필드 μ _에프 향상 이상 나 _켜기 /나 _꺼짐 보고된 OPO로 처리된 기기와 비교했을 때. 게다가 Q에서 _인보이스 5 × 10 ¹² cm ^{− 2} , 웨이퍼 C는 2.37배 더 높은 μ _에프 Si 범용 이동성과 비교합니다. 나 _켜기 웨이퍼 C의 Ref.보다 약간 낮습니다. [9] EOT가 크기 때문입니다.

μ _에프 Q 대 _인보이스 다른 패시베이션 조건을 가진 Ge pMOSFET의 15 주기 Al₂의 Ge 트랜지스터 O₃ + 20 분 O₃ 산화(웨이퍼 C)는 피크 μ를 나타냅니다. _에프 283 cm ² /대. μ에 대한 S/D 저항의 영향 _에프 전체 저항 기울기 기반 유효 채널 이동도 추출 방법으로 추출을 제거했습니다[16]