オゾン誘起GeO_xパッシベーションによる高性能Ge pMOSFET：プラズマ後酸化との比較解析

概要

Al₂O₃/n-Ge（001）基板上に、オゾン後酸化（OPO）またはプラズマ後酸化（PPO）により形成されたGeO_xパッシベーション層を受けたゲルマニウムpMOSFETの電気的性能を比較する。両プロセスの後、5 nmのHfO₂ゲート絶縁膜をALD法でインシチュー堆積。X線光電子分光（XPS）と透過型電子顕微鏡（TEM）により、PPO処理は正の閾値電圧シフトと低いI_ON/I_OFF比を導入し、劣化した界面を示すことが確認された。対照的に、OPOは4桁高いI_ON/I_OFF比、より急峻なサブスレッショルドスイング、優れたキャリア移動度を実現。OPOプロセスでのより厚いAl₂O₃ブロッキング層が移動度をさらに向上させる。全体として、OPOは高品質Ge/酸化物界面とGe pMOSFETの改善された実効移動度へのより効果的な道を提供する。

背景

従来のCMOSデバイスは物理的限界に近づいており、シリコンのみでの性能向上が困難になっている。ゲルマニウムはより高いキャリア移動度を持つため、有望なチャネル材料として浮上しているが、GeO₂の不安定性とダングリングボンドにより、低密度界面準位（D_it）の達成が課題となっている。Ge/誘電体界面のパッシベーションのため、シリコン単分子層の事前堆積や、意図的なGeO₂成長による自己パッシベーション設計など、多くの戦略が検討されてきた。高圧酸化、オゾン、H₂Oプラズマ、電子サイクロトロン共鳴（ECR）プラズマなどの酸化技術が、D_it低減と熱安定性向上のために用いられてきた。

最近の研究では、Al₂O₃/Ge界面を通じた後酸化により高性能Ge MOSFETが実証されている。例えば、Ge-on-insulator（GeOI）上のGe CMOSインバータでは、1 nmのAl₂O₃層の後に純粋なO₂での急速熱アニーリングでGeO_xを成長させた。オゾン酸化はO₂より反応性が高く、より低温での成長を可能にし、GeO_x膜厚制御とデバイス性能の改善を示している。しかし、同一Al₂O₃/n-Ge界面におけるオゾンとプラズマ後酸化の体系的比較は欠けていた。

本研究では、Al₂O₃/n-Ge界面上でOPOとPPOの両方を用いてGe pMOSFETを作製し、それらの電気的特性を比較する。他のすべてのプロセスステップは同一である。Al₂O₃ブロック層厚の影響と移動度劣化の根本メカニズムも検討する。結果は、OPOが将来のGe MOSFET技術に向けた優れたパッシベーション手法であることを実証する。

手法

Ge pMOSFETは4インチn-Ge（001）ウェハ（抵抗率0.14-0.183 Ω cm）上に作製。希釈HF（1:50）洗浄後、トリメチルアルミニウム（TMA）とH₂Oを用いて300℃でプラズマ強化ALD（PEALD）により約1 nmのAl₂O₃膜を堆積。薄いAl₂O₃/GeO₂界面層（AlO_x/GeO_xと表記）を、リモートプラズマ源による60秒の酸素プラズマ（PPO）または50% O₃/O₂混合ガス中での20分間オゾン処理（OPO）のいずれかに曝露。酸化直後に、TDMAHfとH₂Oを用いて300℃でALD法（60サイクル）により5 nmのHfO₂ゲート絶縁膜を堆積。100 nmのTaNゲートメタルをスパッタリングし、リソグラフィとエッチングを実施。ソース/ドレイン領域は自己整合BF₂⁺イオン注入（20 keV、1×10¹⁵ cm⁻²）、20 nm Niでキャップし、450℃で30秒の急速熱アニーリングで活性化。

a 3種類のパッシベーション法を用いたGe pMOSFET作製プロセスフロー。b 概略図とc 作製トランジスタのSEM画像。

断面TEM像は、PPOとOPOの両方でTaN/HfO₂/AlO_x/GeO_x/Geのゲートスタックを示す。PPOサンプルでは、明確なAlO_x/GeO_x中間層がHfO₂とGeを分離しているのに対し、OPOサンプルではより拡散した界面を示し、GeO₂膜厚に関する文献報告と整合する。

n-Ge（001）上の（a）OPO形成と（b）PPO形成AlO_x/GeO_x界面層を持つ高誘電率/メタルゲートスタックの断面TEM。

結果と考察

デバイス特性評価はKeithley 4200-SCSシステムで実施。すべてのトランジスタのゲート長は3 µm。PPOデバイス（ウェハA）はより高い飽和ドレイン電流を示すが、OPOデバイス（ウェハB、C）と比較してより高いオフ状態電流も示す。重要なことに、OPOデバイスはエンハンスメントモードで動作するのに対し、PPOデバイスはディプレッションモードのままであり、より高いD_itによる残留p型特性を示唆している。

a PPO（ウェハA）とOPO（ウェハB、C）Ge pMOSFETのI_DS-V_GSおよびb I_DS-V_DS特性。

I_ON/I_OFF比とサブスレッショルドスイング（SS）の統計解析により、OPOデバイスが最大4桁高いI_ON/I_OFFとより急峻なSSを達成し、よりクリーンな界面を反映していることが確認された。Al₂O₃ブロック層厚を10から15サイクルに増やすと、オン電流は改善するが、等価酸化膜厚（EOT）の増大によりI_ON/I_OFF比は低下する。

PPO対OPOデバイスのa SSとb I_ON/I_OFFの統計プロット。

ダミーサンプル（HfO₂とTaNなし）でのXPS測定により、PPOはGe¹⁺とGe³⁺種が優占するGeO_x層を生成するのに対し、OPOはより高い酸化状態分布を生成し、Ge¹⁺成分を減らし、より完全なGeO₂形成を示唆している。

a PPO、OPO-10、OPO-15条件下のAl₂O₃/GeO_x/GeのGe 3d XPSスペクトル。b Ge 3dスペクトルのピークフィッティング。

1 MHzでのゲート-ソースC-V測定では、OPOプロセスがPPOより高いEOTをもたらし、15サイクルOPO（ウェハC）が最大EOTを示す。これはより厚いAl₂O₃ブロッキング層に起因する。高いEOTにもかかわらず、OPOデバイスは優れたSSと移動度を維持する。

PPO（ウェハA）とOPO（ウェハB、C）デバイスのゲート-ソースC-V特性。

総抵抗（R_T) 対ゲート長解析では、PPOデバイスがより低いシリーズ抵抗とチャネル抵抗を示し、C-Vデータと整合する。しかし、OPOデバイスのより高いR_SDとR_CHは、改善された移動度によって補償される。

3デバイスタイプのR_T対L_G特性。

実効正孔移動度（μ_eff）は総抵抗傾斜から抽出。OPOデバイスはPPOより高いピークμ_effを示し、ウェハC（15サイクルOPO）は283 cm²/Vsを達成。文献値と比較すると、反転電荷密度5×10¹² cm⁻²においてシリコンの普遍的移動度の2.37倍の改善を表す。移動度の優位性は、クーロン散乱の低減とより良い界面品質に起因する。

PPOとOPOデバイスのμ_eff対Q_inv特性。15サイクルOPO（ウェハC）はピークμ_eff283 cm²/Vsに達する。

結論

オゾン後酸化によるGeO_xパッシベーションで作製したGe pMOSFETが、プラズマ後酸化を用いたものを上回る性能を示すことを実証した。OPOはより高いI_ON/I_OFF比、より急峻なサブスレッショルドスイング、優れたピークμ_effをもたらす。OPOプロセスでのAl₂O₃ブロッキング層厚の増加は、EOT増大の代償で移動度を改善する。これらの知見は、OPOが高品質Ge/酸化物界面のための効果的なパッシベーション戦略であり、次世代Ge MOSFET技術の有望な候補であることを確認するものである。