ZnO中間層とアルゴンプラズマによるメタル-Ge接触抵抗低減：n-GeへのオーミックAl接触実現

概要

メタル-絶縁体-半導体（MIS）接触において、薄いZnO界面層（IL）を導入してメタル/Ge界面でのフェルミレベルピニング（FLP）を抑制する体系的研究を提示。ZnOとn-Ge間で0.22eVという控えめな伝導帯オフセットを観測、ILと合わせてZnOなしデバイスと比較して接触抵抗（R_c）を大幅低減。アルゴン（Ar）プラズマ処理によりZnOの酸素欠陥（V_o）濃度が増加し、n型ドーパントとして作用してR_cをさらに向上。Geキャリア濃度3×10¹⁶cm⁻³でAl/ZnO/n-Geがオーミック挙動達成。高濃度ドープn⁺-Ge（P⁺イオン注入）では、Arプラズマ処理ZnOで比接触抵抗率2.86×10⁻⁵Ωcm²に到達。

背景

ゲルマニウムはシリコンより優れたキャリア移動度を持ち、先進MOSFETの有力候補[1,2]。歪みGeチャネル、表面パッシベーション、ソース/ドレイン接触の進展により、超微細Ge p-FinFETがSi対応品を上回る性能を達成[3-11]。しかし、nチャネルGeデバイスは依然として界面品質不良、n型ドーパント活性化限定、強いFLPにより、ほとんどのメタル/n-Geでショットキー障壁高さが約0.5eVに上昇する問題を抱えています[13-15]。

TiO₂[16]やZnO[17]のような薄いIL挿入により、メタル誘起ギャップ状態（MIGS）を遮断してフェルミレベルをデピン可能[18-20]。ZnOはGeとの伝導帯オフセットが小さく、TiO₂（正のオフセット）より薄い空乏層と潜在的に低いR_cを実現可能[16]。さらに、ZnOは酸素欠陥（V_o）により容易にn型ドープ可能で、空乏層幅をさらに縮小。従来の窒素アニーリングによる欠陥生成は相互拡散とドーパント移動リスクがあり、低温アプローチが必要[23-25]。

本研究では、原子層堆積（ALD）成長ZnO ILを用いたFLP緩和を探求し、Arプラズマ処理がAl/ZnO/n-Ge接触抵抗に及ぼす影響を調査。

方法

軽度ドープ（約3×10¹⁶cm⁻³）と高濃度ドープn-Ge(001)ウェハー上にメタル接触を形成。後者は30keV P⁺イオン注入（1×10¹⁵cm⁻²）後、600℃、60秒急速熱アニーリングで作製。脱イオン水と希塩酸で洗浄後、ALDチャンバー（Beneq TSF-200）に移載し、DEZnとH₂O前駆体で150℃でZnO堆積。ZnO厚み1、2、3nmを検討、分光楕円偏光法（SE）で厚み確認。Al接触をスパッタリング・リフトオフでパターニング。一部ZnO膜にArプラズマ処理（50W、60sccm、45秒）。接触抵抗は円形伝送線路法（CTLM）で抽出、露出ZnOを完全エッチングしてデバイス分離[16]。電気測定にKeithley 4200 SCS使用。構造・化学分析にHRTEM、XPS、UV-Vis分光（PerkinElmer LAMBDA 950）でZnOバンドギャップ決定。

結果と考察

Al/ZnO/n-Geの材料評価

図1にバルクZnO、ZnO/Ge界面、純GeのXPS価電子帯スペクトルを示し、価電子帯オフセット（VBO）2.33eVを決定。ZnOバンドギャップ3.21eV（図2a）と合わせ、ZnO/Ge伝導帯オフセット（CBO）は0.22eV（図2b）で、効果的なFLP抑制を確認。HRTEM（図3）は、AlとGe表面に準拠した均一な非晶質3nm ZnO層、堆積温度150℃で形成された薄いGeOₓ界面層（<3nm）を明らかに。

Arプラズマ処理で酸素欠陥密度増加、XPSでO 1sピークが低結合エネルギー側へシフト（図4）で確認。この欠陥エンリッチメントがAl/ZnO界面でのトンネル障壁とシリーズ抵抗を低減し、直接R_c低減に寄与[36]。プラズマ後VBOが0.05eV低下（図5）、CBO 0.17eVとなりFLPさらに緩和。

Al/ZnO/n-Ge接触の電気特性

電流-電圧測定（図6a）で、ZnOなしAl/n-GeデバイスはFLPにより整流挙動示す一方、Al/ZnO/n-Geは逆方向電流改善と障壁高さ低減。2nm ZnO厚みがMIGS抑制とシリーズ抵抗のバランスで最適性能。Arプラズマ処理した2nm ZnO層で順・逆方向電流とも向上（図6b）、欠陥誘起ドーピングの役割確認。

Al/2nm ZnO/n-Geで、プラズマ曝露時間範囲（15-60秒）でオーミック挙動達成。総抵抗R_totはプラズマ時間とともに減少し、45秒後に比接触抵抗率3.66×10⁻³Ωcm²到達（図8）。Geチャネルシート抵抗は不変で、プラズマがGe基板でなくZnOを選択的にドープすることを示唆。

高濃度ドープn⁺-Geでは、Al/2nm ZnO接触（プラズマ処理45秒）が優れたオーミック挙動（図9）。抽出値：シート抵抗64Ω/□、比接触抵抗率2.86×10⁻⁵Ωcm²。Ni/GeSn、Ni/Ge、Ti/TiO₂/GeO₂/Geなど従来報告メタル/Ge接触を上回る性能[40-43]。優れた性能は薄く高ドープされたZnO ILとFLP低減に起因。

結論

薄いZnO IL挿入がAl/ZnO/n-Ge構造でフェルミレベルを効果的にデピン、XPSバンドアライメントで確認。Arプラズマ処理で酸素欠陥濃度増加、ZnOのn型ドーピング強化、接触抵抗劇的低減。軽度・高濃度ドープ両n-GeでオーミックAl接触達成、ZnOを50W、45秒プラズマ処理時、比抵抗率はn-Geで3.66×10⁻³Ωcm²、n⁺-Geで2.86×10⁻⁵Ωcm²。