오존 포스트 산화 GeO_x 패시베이션으로 고성능 Ge pMOSFET 구현: 플라즈마 포스트 산화와의 비교 분석

요약

Al₂O₃/n-Ge (001) 기판 위에 오존 포스트 산화(OPO) 또는 플라즈마 포스트 산화(PPO)로 형성된 GeO_x 패시베이션 층을 적용한 Ge pMOSFET의 전기적 성능을 비교했습니다. 두 공정 모두 이후 5nm HfO₂ 게이트 유전체를 in-situ ALD로 증착했습니다. XPS와 TEM 분석 결과, PPO 처리는 양의 문턱 전압 이동과 낮은 I_ON/I_OFF 비율을 유발하여 열화된 계면을 나타냈습니다. 반면 OPO는 I_ON/I_OFF 비율을 4개 자릿수 향상시키고, 더 가파른 서브스레숄드 스윙(SS)과 우수한 캐리어 이동도를 보였습니다. OPO 공정에서 더 두꺼운 Al₂O₃ 차단 층은 이동도를 추가로 향상시켰습니다. 전반적으로 OPO는 고품질 Ge/산화물 계면 형성과 Ge pMOSFET의 유효 이동도 향상에 더 효과적인 경로를 제공합니다.

배경

기존 CMOS 소자는 물리적 한계에 도달하여 Si만으로는 성능 향상이 어렵습니다. Ge는 높은 캐리어 이동도로 유망한 채널 소재이나, GeO₂의 불안정성과 댕글링 본드로 인해 낮은 계면 상태 밀도(D_it) 달성이 과제입니다. Si 단일층 사전 증착, 의도적 GeO₂ 성장을 통한 자기 패시베이션 등 다양한 계면 패시베이션 전략이 연구되었습니다. 고압 산화, 오존, H₂O 플라즈마, ECR 플라즈마 등 산화 기술들이 D_it 저감과 열 안정성 향상에 활용되었습니다.

최근 Al₂O₃/Ge 계면에서의 포스트 산화로 고성능 Ge MOSFET이 보고되었습니다. 예: 1nm Al₂O₃ 후 순수 O₂ 급속 열 어닐링으로 GeO_x 성장을 이용한 Ge-on-insulator(GeOI) 기반 Ge CMOS 인버터. 오존 산화는 O₂보다 반응성이 높아 저온 성장이 가능하며, GeO_x 두께 제어와 소자 성능 개선에 효과적임이 입증되었습니다. 그러나 동일 Al₂O₃/n-Ge 계면에서 오존과 플라즈마 포스트 산화를 체계적으로 비교한 연구는 부족했습니다.

본 연구에서는 Al₂O₃/n-Ge 계면에서 OPO와 PPO를 적용한 Ge pMOSFET을 제작하고 전기적 특성을 비교했습니다. 그 외 공정 단계는 동일합니다. Al₂O₃ 차단 층 두께의 영향과 이동도 저하 메커니즘도 분석했습니다. 결과적으로 OPO가 차세대 Ge MOSFET 기술에 더 우수한 패시베이션 방법임이 입증되었습니다.

실험 방법

Ge pMOSFET은 4인치 n-Ge (001) 웨이퍼(저항률 0.14~0.183 Ω·cm) 위에 제작했습니다. 희석 HF(1:50) 세정 후, 300°C에서 PEALD로 TMA와 H₂O를 사용해 약 1nm Al₂O₃을 증착했습니다. 얇은 Al₂O₃/GeO₂ 계면 층(AlO_x/GeO_x 표기)을 원격 플라즈마 소스로 60초간 산소 플라즈마 처리(PPO)하거나, 50% O₃/O₂ 혼합 기체에서 20분간 오존 처리(OPO)했습니다. 산화 직후 300°C에서 ALD로 5nm HfO₂ 게이트 유전체를 증착했습니다(TDMAHf와 H₂O 사용, 60사이클). 100nm TaN 게이트 금속을 스퍼터링한 후 리소그래피와 식각을 진행했습니다. 소스/드레인 영역은 자가 정렬 BF₂⁺ 이온 주입(20keV, 1×10¹⁵ cm⁻²), 20nm Ni 캡, 450°C 30초 RTA로 활성화했습니다.

그림 1. (a) 세 가지 패시베이션 방법을 적용한 Ge pMOSFET 공정 흐름도, (b) 제작된 트랜지스터 개략도 및 (c) SEM 이미지

단면 TEM 이미지로 TaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Ge 게이트 스택을 확인했습니다. PPO 시료에서는 뚜렷한 AlO_x/GeO_x 계면 층이 HfO₂와 Ge를 분리하는 반면, OPO 시료는 더 확산된 계면을 보이며, 이는 GeO₂ 두께에 관한 문헌 보고와 일치합니다.

그림 2. n-Ge (001) 상에서 (a) OPO 형성 및 (b) PPO 형성 AlO_x/GeO_x 계면 층의 단면 TEM

결과 및 논의

소자 특성은 Keithley 4200-SCS 시스템으로 측정했습니다. 모든 트랜지스터의 게이트 길이는 3µm입니다. PPO 소자(웨이퍼 A)는 더 높은 포화 드레인 전류를 보였으나 오프 상태 전류도 더 높았습니다. 중요하게는 OPO 소자들은 엔하نس먼트 모드로 동작하는 반면, PPO 소자는 디플리션 모드로 남아 더 높은 D_it로 인한 잔여 p형 특성을 보였습니다.

그림 3. PPO(웨이퍼 A) 및 OPO(웨이퍼 B, C) Ge pMOSFET의 (a) I_DS-V_GS 및 (b) I_DS-V_DS 특성

I_ON/I_OFF 비율과 서브스레숄드 스윙(SS) 통계 분석 결과, OPO 소자는 최대 4개 자릿수 높은 I_ON/I_OFF와 더 가파른 SS를 달성하여 더 깨끗한 계면을 입증했습니다. Al₂O₃ 차단 층 두께를 10에서 15 사이클로 늘리면 온 전류는 향상되나 등가 산화막 두께(EOT) 증가로 I_ON/I_OFF 비율은 감소했습니다.

그림 4. PPO 대 OPO 소자의 (a) SS 및 (b) I_ON/I_OFF 통계 플롯

더미 시료( HfO₂와 TaN 제외)에 대한 XPS 측정 결과, PPO는 Ge¹⁺와 Ge³⁺ 종이 지배적인 GeO_x 층을 생성하는 반면, OPO는 더 높은 산화 상태 분포를 보여 Ge¹⁺ 성분을 줄이고 더 완전한 GeO₂ 형성을 나타냈습니다.

그림 5. (a) PPO, OPO-10, OPO-15 조건에서 Al₂O₃/GeO_x/Ge의 Ge 3d XPS 스펙트럼, (b) Ge 3d 스펙트럼 피크 피팅

1MHz에서 게이트-소스 C-V 측정 결과, OPO 공정이 PPO보다 높은 EOT를 보이며, 15사이클 OPO(웨이퍼 C)가 가장 큰 EOT를 보였습니다. 이는 더 두꺼운 Al₂O₃ 차단 층 때문입니다. 그럼에도 OPO 소자는 우수한 SS와 이동도를 유지했습니다.

그림 6. PPO(웨이퍼 A) 및 OPO(웨이퍼 B, C) 소자의 게이트-소스 C-V

게이트 길이에 따른 총 저항(R_T) 분석에서 PPO 소자가 더 낮은 직렬 및 채널 저항을 보였으며, 이는 C-V 데이터와 일치합니다. 그러나 OPO 소자의 더 높은 R_SD와 R_CH는 향상된 이동도로 보상됩니다.

그림 7. 세 소자 유형의 R_T 대 L_G

유효 정공 이동도(μ_eff)는 총 저항 기울기에서 추출했습니다. OPO 소자가 PPO보다 높은 피크 μ_eff를 보이며, 웨이퍼 C(15사이클 OPO)는 283 cm²/Vs를 달성했습니다. 문헌 비교 시, 반전 전하 밀도 5×10¹² cm⁻²에서 Si 보편 이동도 대비 2.37배 향상입니다. 이 이동도 우위는 쿨롱 산란 감소와 더 나은 계면 품질 덕분입니다.

그림 8. PPO 및 OPO 소자의 μ_eff 대 Q_inv. 15사이클 OPO(웨이퍼 C)가 피크 μ_eff 283 cm²/Vs 달성

결론

GeO_x 패시베이션을 적용한 Ge pMOSFET에서 오존 포스트 산화(OPO)가 플라즈마 포스트 산화(PPO)보다 우수함을 입증했습니다. OPO는 더 높은 I_ON/I_OFF 비율, 더 가파른 서브스레숄드 스윙, 우수한 피크 μ_eff를 제공합니다. OPO 공정에서 Al₂O₃ 차단 층 두께를 늘리면 이동도가 향상되나 EOT가 증가하는 트레이드오프가 있습니다. 이러한 결과는 OPO가 고품질 Ge/산화물 계면 형성에 효과적인 패시베이션 전략임을 확인시켜 주며, 차세대 Ge MOSFET 기술의 유력한 후보가 됩니다.