基于微波退火技术制备的高性能短沟道金属源漏Ge pMOSFET.pdf 9页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cns基于微波退火技术制备的高性能短沟道金#属源漏GepMOSFET*赵毅5（浙江大学信息与电子工程学院，杭州，浙江，310027）摘要：采用了微波退火技术制备得到了高性能的超浅NiGe/n-Ge肖特基结，并研究探讨了不同退火技术对肖特基结电学性能的影响。实验结果表明，微波退火可以有效抑制费米能级钉扎效应，从而有效降低NiGe/n-Ge肖特基结的空穴势垒（0.03eV），进而减少肖特基10结的结漏电。同时，由于微波技术具有低温退火的特性，利用微波退火技术可以制备得到结深很浅的NiGe/n-Ge肖特基结（24nm），这能有效抑制器件小型化过程中出现的短沟道效应。进一步地，利用微波退火得到的高性能超浅NiGe/n-Ge肖特基结，我们制备获得了高开关比的短沟道金属源漏GepMOSFET，其开关比达到4个数量级。关键词：微电子；锗（Ge）；金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）；微波退火；15金属源漏；短沟道中图分类号：TN432HighPerformanceShort-Channel-LengthGepMOSFETwithNiGeSouree/DrianFabricatedbyMicrowave20AnnealingYiZhao(theCollegeofElectronicEngineeringandInformation,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang,310027)Abstract:Thesuperiorultra-shallowNiGe/n-GeSchottkyjunctionshavebeenfabricatedbya25microwaveannealingtechnique.TheimpactsofdifferentannealingtechnologyontheelectricalpropertiesofNiGe/n-GeSchottkyjunctionsweresystematicallyinvestigated.ItisfoundthatmicrowaveannealingcouldalleviatestheinterfacedefectsinducedFermilevelpinningeffectsignificantly.Thus,theSchottkybarrierheightforholehavebeendecreasedto0.03eV.Asaresult,thejunctionleakageoftheNiGemetalsource/drainhasbeensufficientlyreduced.Inaddition,sincethe30microwaveannealingtechniquehasthelowtemperaturebudget,thejunctiondepthofNiGe/n-GeSchottkyjunctionfabricatedbymicrowaveannealingwasultra-shallow,~24nm.Furthermore,thehighperformanceSchottky-barrierGep-channelmetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistors(pMOSFETs)havebeenrevealedwiththeNiGemetalsource/drainformedbymicrowaveannealing,withanenhancedONcurrentandahighon/offratiooffourordersofmagnitude.35Keywords:Microelectronics,Germanium,MOSFET,MicrowaveAnnealing,MetalSource/Drain,ShortChannelLength0引言40近几十年来，MOSFET器件技术一直遵循摩尔定律发展，使得每2-3年器件的沟道尺寸基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130091110025）作者简介：赵毅（1977-），男，教授、博导，主要研究方向：新沟道材料（应变硅、锗、III-V）CMOS器件，工艺及相关物理现象.E-mail:yizhao@zju.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn缩短一半，而性能增加一倍，同时功耗降低一半。目前，最先进量产集成电路工艺中的MOSFET器件沟道长度已经在20nm以下。但是，随着器件沟道长度的持续缩短，一些负面效应（如短沟道效应等）开始出现并且越来越严重地影响器件的电学特性，这使得传统器[1]件的小型化不再能有效提高MOSFET器件的性能。高迁移率的新沟道材料为制备高性能45MOSFET器件提供了备选方案。锗沟道材料由于其具有比硅高近5倍的空穴迁移率，非常[2-3]适合用来制备高性能pMOSFET。而实现具有低寄生电阻、高开关比的源漏是保持GepMOSFET器件高性能的关键之一。传统的p-n结源漏是通过离子注入后高温快速退火形成的。但是，由于锗中掺杂离子的固溶度相比硅更低，同时掺杂离子的热扩散系数较大，很[4-5]难形成寄生电阻低、结深浅、整流特性好的p-n结源漏。金属源漏（主要指NiGe）结构50的GepMOSFET源漏寄生电阻低，同时具有原子级陡直的浓度梯度，易于制备超浅结。许[6-9]多实验都证明了金属源漏有望提高GepMOSFET的性能。但是其中也存在一个严重的问[10-11]题，就是金属-半导体肖特基结势垒高度难以调节，结漏电较大。该问题一方面归因于[12]锗的禁带宽度较小（0.67eV），另一方面也是由于费米能级钉扎效应所致。通常，当合金NiGe与n-Ge接触时就会发生强烈的费米能级钉扎效应，使得NiGe/Ge界面的费米能级55钉扎在价带附近，从而得到空穴肖特基势垒较低的NiGe/n-Ge结。然而，这样的空穴肖特基势垒高度仍不够低。研究发现，空穴肖特基势垒高度在低于0.1eV时，结漏电能够得到有[13]效抑制，从而获得高性能的GepMOSFET。正是由于这种强烈的费米钉扎效应，用传统[14]快速热退火技术很难调节NiGe/n-Ge肖特基结的势垒高度。有报道称，空穴肖特基势垒高度为0.1eV的NiGe/n-Ge结可以通过杂质分凝技术制备得到，即在NiGe合金化后再进行离[14-19]60子注入。但是，同样地，由于离子注入工艺的存在，掺杂离子在高温退火激活时在锗中扩散很快，导致结深增加，使短沟道效应加剧。所以，我们提出并利用微波退火技术实现了高性能的超浅NiGe/n-Ge肖特基结，进一步获得了性能优异的短沟道GepMOSFET器件。器件的源漏寄生电阻很低，同时有效抑制了结漏电，避免了短沟道效应，实现了高开关比的短沟道金属源漏GepMOSFET。651实验过程为了制备NiGe/n-Ge肖特基结，我们首先在用氢氟酸清洗后的（100）晶面的n-Ge衬底15-3（ND=5*10cm）上沉积了氧化硅（SiO2），作为场氧。然后通过光刻技术定义了有源区，并刻蚀了有源区的SiO2。随后，用电子束沉积设备在有源区覆盖了一层30nm厚的镍（Ni）。不同样品分别在不同微波功率和退火时间下进行合金化。完成微波退火后，多余未反应的70Ni留作正面电极。最后在样品的背面用电子束沉积设备沉积背电极铝（Al）。进一步地，我们采用前栅工艺制备自对准的金属源漏（NiGe），获得了（100）晶面<100>晶向的GepMOSFET，工艺流程图如图1所示。在沉积了场氧SiO2并定义得到器件有源区[20-21]后，采用等离子体后氧化技术制备得到了Al2O3（10nm）/GeOx（1.2nm）/Ge结构的栅叠层。随后又用溅射设备沉积了一层30nm厚的钨，作为栅电极。然后通过光刻技术定义-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn75了栅极图形和沟道尺寸，并刻蚀了多余的栅极金属和栅叠层。栅极结构制备完成后，在样品整面沉积了一层30nm的Ni，利用微波退火技术形成了自对准的金属源漏（NiGe），多余未反应的Ni用盐酸去除。最后沉积了源漏电极Ni和背电极Al。同时，我们用相同的衬底制备了同尺寸的离子注入获得的p+/n源漏结GepMOSFET，作为实验的参照样品。Pre-cleaningofGesurfaceFieldoxide(SiO2)depositionActiveareadefinitionAl2O3/GeOxgatestackdepositionTungstensputteringGatestackpatterningNickledeposition(EBevaporation)MicrowaveannealingEtchingofremainingNickleContactpadsformation80图1制备自对准金属源漏（NiGe）GepMOSFET的工艺流程图Fig1ThefabricationprocedureoftheGepMOSFETswithself-alignedNiGemetalS/D.2结果与讨论24nmNiGeGeSub.100nm图2.1利用微波退火技术在700W,4min的条件下制备得到的NiGe/n-Ge肖特基结的剖面SEM图85Fig2.1ThecrosssectionSEMimageofNiGe/n-GeSchottkyJunctionfabricatedby4minMWAusing700Wmicrowave.图2.1为利用微波退火技术在700W,4min的条件下制备得到的NiGe/n-Ge肖特基结的剖面SEM图。我们发现，在这一微波退火条件下得到的NiGe合金深度很浅，只有24nm，-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn而且NiGe/n-Ge界面非常光滑平整，这归因于微波技术具有低温退火的优势。对比常规快速o90热退火，700W，4min的微波条件可以使衬底升温至130C左右，这远比快速热退火的温度o（300-500C）要低。所以，利用微波退火的低温特性可以减少退火时Ni在Ge中的扩散，形成更浅的NiGe合金，同时避免了高温退火过程中可能存在的衬底温度分布不均匀导致的NiGe合金化不均匀的问题，从而减小了NiGe/n-Ge界面的粗糙度。为了抑制超短沟道器件中存在的短沟道效应，更浅的NiGe/n-Ge金属源漏结可以通过缩短微波退火时间来制备得到95（相关数据和SEM图没有在文中展示）。3101AsDepo.)1025~10-110oRTA:300C,1minJ(A/cmh-SBH:0.3eV-310MWA:700W,4minBimplantationh-SHB:0.03eV-510-1.5-1.0-0.50.00.51.0V(V)图2.2传统快速热退火和微波退火得到的NiGe/n-Ge肖特基结、传统离子注入形成的p+/n结的结特性对比图；左上角的插图为制备的NiGe/n-Ge肖特基结或p+/n结的结构示意图Fig2.2ThecomparisonofI-VcharacteristicsofNiGe/n-GeSchottkyjunctionsfabricatedbyMWA,RTA100andthep+/n-GejunctionformedbyBionimplantation.TheinsetisthestructurediagramoffabricatedSchottkyjunction.图2.2为传统快速热退火和微波退火得到的NiGe/n-Ge肖特基结、传统离子注入形成的p+/n结的结特性对比图，左上角的插图为制备的NiGe/n-Ge肖特基结或p+/n结的结构示意图。对比退火前的样品，传统快速热退火和微波退火获得的NiGe/n-Ge肖特基结的反向漏电105得到了明显的抑制，说明两种退火技术都形成了NiGe合金。但是，微波退火700W,4mino5的样品的漏电流比传统热退火300C,1min的小两个数量级，结的开关比达到了10，表现出了优异的结特性。该结特性已经可以与常规离子注入得到的p+/n结相比拟。这可能归因于微波退火消除了NiGe/n-Ge界面处强烈的费米能级钉扎效应，使空穴的肖特基势垒大幅降低。为了验证这一想法，我们采用了变温测试的方法来提取传统快速热退火和微波退火得到110的NiGe/n-Ge结的空穴肖特基势垒。实验结果表明，微波退火的NiGe/n-Ge结的空穴肖特基势垒为0.03eV，费米能级几乎与价带平齐，只有传统快速热退火的1/10（0.3eV）。这说明微波退火对消除费米能级的钉扎效应非常有帮助。由此我们推测，采用微波退火获得的平-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn整光滑的NiGe/n-Ge界面，引入了很少的界面缺陷，这对制备低空穴肖特基势垒高度的NiGe/n-Ge结可能是有利的。另一方面，也有可能是，微波退火的低温特性使得Ni和Ge在115合金化过程中均匀地形成了质量高而且缺陷少的NiGe合金层，这也可能有助于减少NiGe/n-Ge结漏电。1μm图2.3GepMOSFET的栅极的SEM图Fig2.3TheSEMimageofthefabricatedGepMOSFETgatestack.120进一步地，我们利用微波退火的高性能超浅NiGe/n-Ge肖特基结结制备了短沟道GepMOSFET。图2.3为制备得到的栅叠层和栅极的SEM图。从图中能清晰地看到，金属源漏GepMOSFET的沟道长度为892nm。210W/L=1/0.89μm110EOT=~6nm0V=-1.5V10th-1(a)10(μA/μm)d-2V=-50mVI10dV=-200mV-3d10V=-500mVd-4100-1-2-3-4-5V(V)g-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn80W/L=1/0.89μm60Vg-Vth=0~-3VStep:-0.5V40(b)(μA/μm)Id2000.0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0V(V)d125图2.4利用微波退火700W,4min得到的NiGe/n-Ge肖特基结制备的短沟道GepMOSFET的传输特性曲线（a）和输出特性曲线（b）Fig2.4TheI-VcharacteristicsoftheshortchannellengthGepMOSFETwithNiGemetalS/Dfabricatedby4min"sMWAusing700Wmicrowave.(a)Id-Vg;(b)Id-Vd.图2.4为利用微波退火700W,4min得到的NiGe/n-Ge肖特基结制备的短沟道Ge4130pMOSFET的传输特性曲线和输出特性曲线。器件具有优异的电学特性，开关比达到10。由于器件的EOT很大（~6nm），其输出电流在Vg-Vth=Vd=-1V时不是很大，在后期的工作中我们会将EOT减小10倍（~0.6nm），此时输出电流可以达到150μA/μm。同时，器件的关态电流也较小，这归因于微波退火制备获得的NiGe/n-Ge肖特基结具有寄生电阻低、整流特性良好的优点。另外，可以从图2.4（a）中发现，不同Vd下的Id-Vg曲线在亚阈值区几135乎重合，说明漏端引入的势垒降低（DIBL）效应很弱，这也与微波退火得到的超浅金属源漏结是相关的。在更小尺寸的MOSFET器件中，金属源漏这种具有原子级陡直的浓度梯度和其结深可控的特性，能有效抑制短沟道效应的出现。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnm)3[23]ThisWork10[24]A/DriveCurrent[31][29]Tendency2[30]10[28][25]V-V=-1V1gth[26]10V=-1V[22]dEOT=~1nm[27]On-statecurrent(-2-10121010101010Gatelength(m)图2.5不同沟道长度的GepMOSFET在Vg-Vth=Vd=-1V时的工作电流标定，所有的电流数据都被归一化到140EOT=~1nmFig2.5ThebenchmarkingofnormalizedId(Vg-Vth=Vd=-1V,EOT=~1nm)inGepMOSFETswithdifferentgatelength.最后，我们整理了近几年发表的与GepMOSFET相关的文献，统计了这些用不同栅叠层制备技术和源漏形成技术获得的GepMOSFET在Vg-Vth=Vd=-1V的输出电流。在归一化145所有电流数据为EOT=~1nm后，与本文提出并实现的短沟道金属源漏GepMOSFET做了对比，对比结果如图2.5所示。由图可知，本文提出的源漏形成技术能有效提高GepMOSFET器件的输出电流，使器件的性能可以符合GepMOSFET的工作电流随尺寸减小的发展趋势（图2.5中用虚线表示），这一定程度上归因于微波退火形成的低阻态的NiGe源漏。同时，也从侧面反应了制备得到的GepMOSFET的源漏电阻是限制其输出电流的关键因素，其阻150值可能可以与沟道电阻相比拟，减小源漏电阻能够大幅提升器件性能。另外，如果通过工艺改进，进一步缩小器件沟道长度，器件将获得更大的输出电流。所以，利用微波退火形成NiGe/n-Ge肖特基源漏结来制备高性能的GepMOSFET是一种可行的方案。3结论本文提出并实现了利用微波退火技术来制备高性能的超浅NiGe/n-Ge肖特基结，结深只155有24nm，对比常规热退火得到的样品，其反向漏电流得到明显的抑制，这归因于微波退火对消除费米能级钉扎效应的显著效果，使空穴肖特基势垒降至0.03eV，最终获得了可与传统离子注入p+/n结比拟的优良结特性。进一步地，利用这种源漏形成技术，制备得到了892nm沟道长度的金属（NiGe）源漏GepMOSFET。低阻态，整流特性良好的金属源漏能有效提4升器件性能，使器件开关比达到10。同时，漏端引入的势垒降低（DIBL）效应很弱，这也-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn160是NiGe源漏的另一个优势。综上所述，微波退火技术获得的NiGe/n-Ge结源漏未来将有可能应用于纳米级Ge基MOSFET器件的制备。致谢衷心感谢高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20130091110025）对本文研究165的资助。[参考文献](References)[1]E.J.Nowak.MaintainingthebenefitsofCMOSscalingwhenscalingbogsdown[J].IBMJ.Res.Develop.,2002,46(2):169-180.170[2]H.Shang,H.Okorn-Schmidt,K.K.Chan,M.Copel,J.A.Ott,P.M.Kozlowski,S.E.Steen,S.A.Cordes,H.-S.P.Wong,E.C.Jones,andW.E.Haensch.Highmobilityp-channelgermaniumMOSFETswithathinGeoxynitridegatedielectric[C].IEDMTech.Dig.,2002,441-444.[3]A.Toriumi,T.Tabata,C.H.Lee,T.Nishimura,K.Kita,andK.Nagashio.OpportunitiesandchallengesforGeCMOS-ControlofinterfacingfieldonGeisakey(InvitedPaper)[J].Microelectron.Eng.,2009,86(7):1571-1576.175[4]F.A.Trumbore.Solidsolubilitiesofimpurityelementsingermaniumandsilicon[J].BellSyst.Tech.J.,1960,39(1):205-233.[5]C.O.Chui,K.Gopalakrishnan,P.B.Griffin,J.D.Plummer,andK.C.Saraswat.Activationanddiffusionstudiesofion-implantedpandndopantsingermanium[J].Appl.Phys.Lett.,2003,83(16):3275-3277.[6]C.Henkel,S.Abermann,O.Bethge,G.Pozzovivo,P.KlangandM.Reiche.Gep-MOSFETswithscaledALD180La2O3/ZrO2gatedielectrics[J].IEEETrans.ElectronDevices,2010,57(12):3295-3302.[7]C.-W.Chen,J.-Y.Tzeng,C.-T.Chung,H.-P.Chien,C.-H.Chien,andG.-L.Luo.High-performancegermaniump-andn-MOSFETswithNiGesource/drain[J].IEEETrans.ElectronDevices,2014,61(8):2656-2661.[8]K.Ikedaetal.High-mobilityandlow-parasiticresistancecharacteristicsinstrainedGenanowirepMOSFETswithmetalsource/drainstructureformedbydoping-freeprocesses[C].Proc.Symp.VLSITechnol,2012,165-166.185[9]C.-C.Hsuetal.High-performanceSchottkycontactquantum-wellgermaniumchannelpMOSFETwithlowthermalbudgetprocess[J].IEEEElectronDeviceLett.,2016,37(1):8-11.[10]M.P.LepselterandS.M.Sze.SB-IGFET:Aninsulated-gatefieldeffecttransistorusingSchottkybarriercontactsforsourceanddrain[J].Proc.IEEE,1968,56(8):1400-1402.[11]J.Kedzierski,P.Xuan,E.H.Anderson,J.Bokor,T.-J.King,andC.Hu.Complementarysilicidesource/drain190thin-bodyMOSFETsforthe20nmgatelengthregime[C].IEDMTech.Dig.,2000,57-60.[12]A.Dimoulas,P.Tsipas,A.SotiropoulosandE.K.Evangelou.Fermi-levelpinningandchargeneutralitylevelingermanium.AppliedPhysicsLetters,2006,89(25):252110.[13]J.GuoandM.S.Lundstrom.Acomputationalstudyofthinbody,double-gate,SchottkybarrierMOSFETs[J].IEEETrans.ElectronDevices,2002,49(11):1897-1902.195[14]T.Nishimura,K.Kita,andA.Toriumi.EvidenceforstrongFermi-levelpinningduetometal-inducedgapstatesatmetal/germaniuminterface[J].Appl.Phys.Lett.,2007,91(12):123123-1-123123-4.[15]M.Koike,Y.Kamimuta,andT.Tezuka.ModulationofNiGe/GecontactresistancebySandPco-introduction[J].Appl.Phys.Exp.,2011,4(2):021301-1-021301-3.[16]K.Ikeda,Y.Yamashita,N.Sugiyama,T.Taoka,andS.-I.Takagi.ModulationofNiGe/GeSchottkybarrier200heightbysulfursegregationduringNigermanidation[J].Appl.Phys.Lett.,2006,88(15):152115-1-152115-3.[17]A.Dimoulas,A.Toriumi,andS.E.Mohney.SourceanddraincontactsforgermaniumandIII-VFETsfordigitallogic[J].MRSBull.,2009,34(7):522-529.[18]K.-W.Ang,M.-B.Yu,S.-Y.Zhu,K.-T.Chua,G.-Q.Lo,andD.-L.Kwong.NovelNiGeMSMphotodetectorfeaturingasymmetricalSchottkybarriersusingsulfurco-implantationandsegregation[J].IEEEElectronDevice205Lett.,2008,29(7):708-710.[19]Y.Tong,B.Liu,P.S.Y.Lim,andY.-C.Yeo.SeleniumsegregationforeffectiveSchottkybarrierheightreductioninNiGe/n-Gecontacts[J].IEEEElectronDeviceLett.,2012,33(6):773-775.[20]R.Zhang,T.Iwasaki,N.Taoka,M.Takenaka,andS.Takagi.Al2O3/GeOx/Gegatestackswithlowinterfacetrapdensityfabricatedbyelectroncyclotronresonanceplasmapostoxidation[J].Appl.Phys.Lett.,2011,98(11):210112902-1-112902-3.[21]R.Zhang,T.Iwasaki,N.Taoka,M.Takenaka,andS.Takagi.HighmobilityGepMOSFETwith1-nmEOTAl2O3/GeOx/Gegatestackfabricatedbyplasmapostoxidation[J].IEEETrans.ElectronDevices,2012,59(2):335-341.[22]R.Zhang,P-C.Huang,J-C.Lin,N.Taoka,M.Takenaka,andS.Takagi.High-mobilityGep-and-8- 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