ZnO 중간층과 아르곤 플라즈마로 금속-Ge 접촉 저항 낮추기: n-Ge에서 옴성 Al 접촉 달성

요약

금속-절연체-반도체(MIS) 접촉에서 얇은 ZnO 중간층(IL)을 도입하여 금속/Ge 계면의 페르미 준위 고정(FLP)을 억제하는 체계적 연구를 제시합니다. ZnO와 n-Ge 사이의 0.22eV 전도대 오프셋이 중간층과 함께 ZnO 없는 소자 대비 접촉 저항(Rc)을 크게 낮춥니다. 아르곤(Ar) 플라즈마 처리는 산소 공공(Vo) 농도를 증가시켜 n-형 도펀트 역할을 함으로써 Rc를 추가로 향상시킵니다. Ge 캐리어 농도 3×10¹⁶ cm⁻³에서 Al/ZnO/n-Ge의 옴성 거동을 달성했습니다. P⁺ 이온 주입으로 고도핑된 n⁺-Ge에서는 Ar 플라즈마 처리된 ZnO로 2.86×10⁻⁵ Ω cm²의 특정 접촉 저항률을 얻었습니다.

배경

게르마늄은 실리콘보다 우수한 캐리어 이동도를 제공하여 첨단 MOSFET의 유력 후보입니다. 변형 Ge 채널, 표면 패시베이션, 소스/드레인 접촉 발전으로 초미세 Ge p-핀펫이 Si 대비 우수한 성능을 보였으나, n-채널 Ge 소자는 여전히 열악한 계면 품질, 제한적 n-형 도펀트 활성화, 강한 FLP로 대부분의 금속에서 n-Ge 쇼트키 장벽 높이가 ~0.5eV로 높아 어려움을 겪습니다.

TiO₂나 ZnO 같은 얇은 중간층 삽입으로 금속 유도 갭 상태(MIGS)를 차단하여 페르미 준위를 디핀할 수 있습니다. ZnO는 Ge와 작은 전도대 오프셋을 가져 TiO₂(양의 오프셋)보다 더 얇은 공핍 영역과 잠재적으로 더 낮은 Rc를 가능케 합니다. 또한 ZnO는 산소 공공(Vo)을 통해 쉽게 n-형 도핑되어 공핍 폭을 추가로 줄일 수 있습니다. 질소 어닐링으로 공공을 생성하는 기존 방식은 원소 간 확산과 도펀트 이동 위험이 있어 저온 접근이 필요합니다.

본 연구는 원자층 증착(ALD) 성장 ZnO IL을 이용한 FLP 완화와 Ar 플라즈마 처리가 Al/ZnO/n-Ge 접촉 저항에 미치는 영향을 조사합니다.

방법

약간 도핑된(≈3×10¹⁶ cm⁻³) 및 고도핑 n-Ge(001) 웨이퍼에 금속 접촉을 제작했습니다. 후자는 30keV P⁺ 이온 주입(1×10¹⁵ cm⁻²) 후 600°C, 60초 급속 열 어닐링으로 제조했습니다. DI 물과 묽은 HCl 세정 후 ALD 챔버(Beneq TSF-200)에서 DEZn과 H₂O 전구체로 150°C에서 ZnO를 증착했습니다. ZnO 두께 1, 2, 3nm를 분광 타원계(SE)로 검증했습니다. Al 접촉을 스퍼터링하고 리프트오프로 패터닝했습니다. 일부 ZnO 박막은 Ar 플라즈마 처리(50W, 60sccm, 45초)했습니다. 접촉 저항은 원형 전송선 법(CTLM)으로 추출했으며, 노출된 ZnO를 완전히 식각해 소자를 분리했습니다. 전기 측정은 Keithley 4200 SCS로, 구조 및 화학 분석은 HRTEM, XPS, UV-Vis 분광법(PerkinElmer LAMBDA 950)으로 ZnO 밴드갭을 결정했습니다.

결과 및 논의

Al/ZnO/n-Ge 재료 특성 분석

그림 1은 벌크 ZnO, ZnO/Ge 계면, 순수 Ge의 XPS 원자가대 스펙트럼으로 원자가대 오프셋(VBO) 2.33eV를 결정했습니다. ZnO 밴드갭 3.21eV(그림 2a)와 결합하면 ZnO/Ge에서 전도대 오프셋(CBO)은 0.22eV(그림 2b)로 효과적인 FLP 억제를 확인했습니다. HRTEM(그림 3)은 Al과 Ge 표면에 순응하는 균일한 비정질 3nm ZnO 층과 증착 온도 150°C에서 형성된 얇은 GeOx 계면층(<3nm)을 보여줍니다.

Ar 플라즈마 처리는 XPS에서 O 1s 피크가 낮은 결합 에너지로 이동함으로써 산소 공공 밀도 증가를 입증했습니다(그림 4). 이 공공 농축은 Al/ZnO 계면에서 터널링 장벽과 직렬 저항을 낮춰 Rc 감소에 직접 기여합니다. 플라즈마 처리 후 VBO가 0.05eV 감소(그림 5)하여 CBO 0.17eV로 FLP 추가 완화를 나타냅니다.

Al/ZnO/n-Ge 접촉 전기적 성능

전류-전압 측정(그림 6a)에서 ZnO 없는 Al/n-Ge 소자는 FLP로 정류 거동을 보인 반면, Al/ZnO/n-Ge 소자는 역방향 전류 개선과 장벽 높이 감소를 보였습니다. 2nm ZnO 두께가 MIGS 억제와 직렬 저항 균형으로 최적 성능을 냈습니다. 2nm ZnO 층의 Ar 플라즈마 처리는 순방향과 역방향 전류를 모두 향상시켰습니다(그림 6b), 공공 유도 도핑의 역할을 확인했습니다.

Al/2nm ZnO/n-Ge에서 다양한 플라즈마 노출 시간(15-60초) 범위에서 옴성 거동을 달성했습니다. 총 저항 Rtot은 플라즈마 시간에 따라 감소하여 45초 후 특정 접촉 저항률 3.66×10⁻³ Ω cm²에 도달했습니다(그림 8). Ge 채널 시트 저항은 변하지 않아 플라즈마가 Ge 기판이 아닌 ZnO만 선택적으로 도핑함을 보여줍니다.

고도핑 n⁺-Ge에서 Al/2nm ZnO 접촉(플라즈마 45초 처리)은 우수한 옴성 거동(그림 9)을 보였습니다. 시트 저항 64 Ω/□, 특정 접촉 저항률 2.86×10⁻⁵ Ω cm²로 Ni/GeSn, Ni/Ge, Ti/TiO₂/GeO₂/Ge 등 기존 금속/Ge 접촉보다 우수했습니다. 뛰어난 성능은 얇고 고도핑된 ZnO IL과 감소된 FLP 덕분입니다.

결론

얇은 ZnO IL 삽입이 Al/ZnO/n-Ge 구조에서 페르미 준위를 효과적으로 디핀함을 XPS 밴드 정렬로 확인했습니다. Ar 플라즈마 처리는 산소 공공 농도를 추가로 증가시켜 ZnO의 n-형 도핑을 강화하고 접촉 저항을 크게 낮춥니다. ZnO를 50W, 45초 플라즈마 처리 시 약간 및 고도핑 n-Ge 모두에서 옴성 Al 접촉을 달성했으며, 특정 저항률은 각각 3.66×10⁻³ Ω cm²(n-Ge), 2.86×10⁻⁵ Ω cm²(n⁺-Ge)였습니다.