ZrO2 유전체를 사용한 이동성 Ge pMOSFET:사후 어닐링의 영향

결과 및 토론

반전 정전 용량 C _인보이스 대 V _GS 웨이퍼 I의 소자에 대해 300 kHz의 주파수에서 측정된 곡선이 그림 2에 나와 있습니다. CET 값은 350, 400, 450에서 PMA가 있는 소자에 대해 ~ 1.95, 1.80, 1.67 및 1.52 nm로 추출됩니다. 및 각각 500 °C. 더 작은 CET는 ZrO₂의 결정화로 인해 더 높은 PMA 온도에서 달성됩니다. . 일반적으로 비정질 및 결정질 ZrO₂의 κ 값은 각각 약 20-23 및 28-30입니다. 5nm 두께의 결정질 ZrO₂ ~ 0.7 nm의 EOT에 기여합니다. C-V의 전환 다양한 PMA 온도의 곡선은 결정화가 ZrO₂에서 벌크 트랩의 밀도를 감소시킨다는 사실 때문입니다. 유전체.

반전 C _인보이스 -V _GS 350 °C, 400 °C, 450 °C 및 500 °C

그림 3a는 측정된 전달 특성과 게이트 누설 전류 I를 보여줍니다. _G PMA 온도가 다른 웨이퍼 I의 Ge pMOSFET 모든 장치의 게이트 길이는 L입니다. _G 4 μm 및 게이트 너비 W 100 μm. Ge pMOSFET는 훨씬 더 낮은 I를 나타냅니다. _G 나에 비해 _DS 모든 PMA 온도에 대해. 나 _켜기 /나 _꺼짐 10보다 높은 비율 ⁴ 500 °C에서 PMA가 있는 장치에 대해 달성됩니다. 나 _DS -V _DS 다른 게이트 오버드라이브에서 측정된 디바이스의 곡선 |V _GS -V _TH | 그림 3b에 나와 있습니다. 임계 전압 V _TH V로 정의됩니다. _GS 나에서 _DS 10개 중 ⁻⁷ A/μm. 500 °C에서 PMA가 있는 Ge 트랜지스터는 V에서 각각 450 °C 및 350 °C에서 어닐링된 디바이스와 비교하여 ~ 47% 및 118%의 구동 전류 개선을 얻습니다. _DS − 1.0 V 및 |V _GS -V _TH | 0.8 V의 그림 3c는 I _켜기 V에서 _DS − 0.5 V 및 V _GS -V _TH 다양한 PMA 온도를 가진 Ge pMOSFET의 경우 - 1 V입니다. 이 플롯의 모든 트랜지스터에는 L이 있습니다. _G 4 μm 및 W 100 μm. 500 °C에서 PMA가 있는 기기는 향상된 I _켜기 감소된 S/D 저항, 감소된 CET 및 더 높은 μ _에프 , 나중에 논의될 것입니다.

아 측정된 나 _D , 나 _S , 그리고 나 _G 대. V _GS 350, 400, 450 및 500 °C에서 PMA가 있는 웨이퍼 I의 Ge pMOSFET 곡선. ㄴ 나 _DS -V _DS 다른 V에서 측정된 곡선 _GS -V _TH 장치에 대한. ㄷ 500 °C에서 어닐링된 장치는 더 높은 온 상태 전류 I를 가집니다. _켜기 낮은 온도에서 PMA가 있는 트랜지스터와 비교

그림 4는 midgap D의 통계적 플롯을 보여줍니다. _그것 , SS 및 V _TH PMA 온도가 다른 장치의 특성. 그림 4a와 같이 최대 컨덕턴스 방식[17]을 기반으로 하는 midgap D _그것 값은 1.3 × 10 ¹³ 으로 추출됩니다. , 9.5 × 10 ¹² , 9.2 × 10 ¹² 및 6.3 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ 각각 350, 400, 450 및 500 °C에서 PMA가 있는 장치의 경우. 그림 4b는 500 °C에서 어닐링된 Ge pMOSFET가 더 작은 미드갭 D로 인해 더 낮은 온도에서 어닐링된 트랜지스터보다 향상된 SS 특성을 가짐을 나타냅니다. _그것 및 CET. D의 값 _그것 PMA가 있는 Ge pMOSFET의 SS 및 SS는 가장 잘 보고된 Ge 트랜지스터보다 여전히 높습니다. OPO 패시베이션 모듈을 최적화하여 줄일 수 있습니다(예:Al₂). O₃ 두께 및 오존 산화 온도 및 지속 시간. V _TH 양수 V로 이동 _GS 감소된 CET 및 D에 기인한 PMA 온도의 증가와 함께 _그것 . 500 °C에서 PMA를 사용하는 Ge pMOSFET에서 최고의 전기적 성능이 달성된다는 결론을 내렸습니다.

a의 비교 중간 간격 D _그것 , b SS 및 c V _TH 350, 400, 450 및 500 °C

μ _에프 , Ge pMOSFET의 소자 구동 전류 및 트랜스컨덕턴스에 영향을 미치는 중요한 요소로서 ΔR을 사용하여 측정되었습니다. _꼭 /ΔL _G 방법[18]. 많은 수의 기기가 L로 측정되었습니다. _G 범위는 1.5~9 μm입니다. 그림 5a는 총 저항 R을 보여줍니다. _꼭 |V에서 추출 _GS -V _TH | − 1 V 및 V _DS L의 함수로 − 0.05 V의 _G . R _SD 적합선이 y에서 교차하는 값입니다. -중심선. R _SD 값은 각각 350, 400, 450 및 500 °C에서 PMA가 있는 장치에 대해 약 7.85, 7.15, 6.10 및 4.35 kΩ ·μm로 추정되었습니다. 이것은 더 높은 PMA 온도에서 S/D의 더 나은 도펀트 활성화를 나타냅니다. μ _에프 μ로 추출할 수 있습니다. _에프 =1/[WQ _인보이스 (ΔR _꼭 /ΔL _G )], 여기서 Q _인보이스 Ge 채널의 반전 전하 밀도 및 ΔR _꼭 /ΔL _G 는 R의 기울기입니다. _꼭 대 L _G 도 5a에 도시된 바와 같이. 더 작은 ΔR _꼭 /ΔL _G 500 °C에서 PMA가 있는 기기의 경우 μ의 향상을 나타냅니다. _에프 450 °C에서 PMA가 있는 트랜지스터와 비교할 때. 그림 5b는 μ를 보여줍니다. _에프 Q의 기능으로 _인보이스 곡선, 분할 C를 사용하여 추출 -V 방법. 최대 구멍 이동도는 384 cm ² 입니다. /V ·s는 500 °C에서 PMA가 있는 장치에 대해 400°C에서 PMA가 있는 장치보다 31% 더 높습니다. 높은 Q에서 _인보이스 1 × 10 ¹³ cm ⁻² , 500 °C에서 PMA를 거친 Ge pMOSFET는 400 °C에서 어닐링된 장치와 비교하여 이동도 향상을 달성합니다. 결정질 ZrO₂를 포함하는 Ge 트랜지스터 비정질 ZrO₂가 있는 장치에 비해 벌크 트랩 전하의 밀도가 낮아 홀의 원격 쿨롱 산란이 더 낮습니다. . 결정질 ZrO₂ 사이의 매끄러운 인터페이스로 인해 500 °C에서 어닐링된 Ge, Ge 장치는 더 낮은 표면 거칠기 산란을 가지며 더 높은 Q로 피크 이동도의 이동을 나타냅니다. _인보이스 .

아 R _꼭 L의 함수로 _G V에서 _GS -V _TH − 1 V 및 V _DS 다양한 PMA 온도를 갖는 웨이퍼 I 상의 소자에 대해 - 0.05 V의. ㄴ μ _에프 대. 질문 _인보이스 C 분할로 추출 -V 방법. 500 °C

다음으로 Ge pMOSFET의 전기적 특성에 대한 PDA의 영향에 대해 논의합니다. 그림 6은 측정된 C를 보여줍니다. _인보이스 대 V _GS 400 °C에서 PMA가 있는 웨이퍼 I 및 웨이퍼 II의 Ge pMOSFET의 400 °C에서 PDA를 거친 소자는 PDA가 없는 소자(1.80 nm)에 비해 1.29 nm의 훨씬 낮은 CET 값을 갖는다. 그림 7a는 I _D , 나 _S , 그리고 나 _G -V _GS 웨이퍼 I 및 웨이퍼 II의 Ge pMOSFET의 특성 곡선과 400 °C에서 PMA를 거친 소자. PDA가 없는 트랜지스터에 비해 PDA가 있는 장치에서 더 큰 게이트 누설 전류가 얻어지며 이는 낮은 CET로 인한 것입니다. 해당 나 _DS -V _DS 다른 게이트 오버드라이브 V에서 측정된 장치의 곡선 _GS -V _TH 그림 7b에 나와 있습니다. PDA가 없는 Ge 트랜지스터는 포화 영역에서 − 0.8 V의 동일한 오버드라이브에서 400 °C에서 PDA가 있는 트랜지스터에 비해 구동 전류가 ~ 24% 향상되었습니다.

C _인보이스 -V _GS 400 °C에서 PMA가 있는 웨이퍼 I 및 II의 장치에 대한 플롯

아 나 _D , 나 _S , 그리고 나 _G 대. V _GS 400 °C에서 PMA를 사용한 웨이퍼 I 및 II의 Ge pMOSFET 곡선. ㄴ 나 _DS -V _DS 다른 V에서 측정된 곡선 _GS -V _TH 장치용

그림 8은 midgap D의 통계적 결과를 나타냅니다. _그것 , SS 및 V _TH PDA가 있거나 없는 Ge pMOSFET의 그림 8a는 더 작은 D _그것 PDA가 없는 장치와 비교하여 400 °C에서 PDA가 있는 Ge pMOSFET에서 달성됩니다. 그림 8b에서 낮은 CET 및 낮은 D에 해당하는 400 °C에서 PDA가 있는 장치에 대해 142 mV/decade의 낮은 평균 하위 임계값 스윙 값이 달성되었습니다. _그것 . 400 °C에서 PDA가 있는 장치가 우수한 ZrO₂를 갖는다는 것을 나타냅니다. /G 인터페이스. 그림 8c는 PDA가 있는 장치와 없는 장치가 서로 다른 V를 가짐을 보여줍니다. _TH; 이는 V에서 지배적인 하위 밴드갭 절반의 트랩 밀도에 기인할 수 있습니다. _TH .

a의 비교 중간 간격 D _그것 , b SS 및 c V _TH 400 °C에서 PMA가 있는 웨이퍼 I 및 II의 Ge pMOSFET용

그림 9a는 R _꼭 대 L _G - 1 V 및 V의 게이트 오버드라이브에서의 곡선 _DS 400 °C에서 PMA가 있는 장치의 경우 - 0.05 V입니다. R _SD 값은 400 °C에서 PDA가 없는 장치와 없는 장치에 대해 각각 약 7.15 및 7.30 kΩ·μm로 추정됩니다. 도 9b에 도시된 바와 같이 현저하게 높은 피크 μ _에프 더 작은 ΔR에 해당하는 PDA가 없는 Ge pMOSFET에 대해 달성됩니다. _꼭 /ΔL _G 그림 9a에서 PDA가 있는 장치와 비교합니다. 400 °C에서 PDA가 있는 장치는 피크 μ를 나타냅니다. _에프 211 cm ² /V·s; 낮은 정공 이동성은 주로 ZrO₂의 고정 전하에 의한 강력한 원격 쿨롱 산란 때문일 수 있습니다. 유전체.

아 R _꼭 대 L _G 400 °C에서 PMA가 있는 웨이퍼 I 및 웨이퍼 II의 장치에 대한 곡선. ㄴ 구멍 이동성 μ _에프 대 Q _인보이스 PDA가 있거나 없는 기기용