Germanium-MOSFETs mit Gatedielektrikum hoher Dielektrizitätskonstante auf Siliziumsubstraten
Final Report Abstract
Während der abschließenden Projektperiode wurden folgende Ergebnisse hinsichtlich der Verwendbarkeit von reaktiv gesputtertem HfO2 als high-k Gateoxid auf Ge-Substraten für die Verwendung in Germanium MOSFET-Bauelementen erhalten: • Interface-Schicht: Das mittels Ellipsometrie unmittelbar nach der Reinigung der Germaniumwafer gemessene entstehende natürliche Germaniumoxid in einer Dicke von 0,5 bis 1,1nm kann durch eine Temperung im Hochvakuum desorbiert werden. Durch den reaktiven Sputterprozess von HfO2 entsteht jedoch erneut ein Interface von ca. 0,9nm Dicke. • Leckstromdichte: Die Hochvakuum-Temperzeit der gereinigten Ge-Wafer vor der Beschichtung mit HfO2 hat einen großen Einfluss auf die Höhe des Leckstroms des Gateisolators. Bei geringen Zeiten (100 Minuten) besitzen die MOS-Stapel kleine Leckstromdichten von 9,54·10^-7 bzw. 4,89·10^-6 A/cm2. Durch den Einfluss der Temperung im Hochvakuum steigen die Leckstromdichten bei +/- 1 Volt Gatespannung auf 2,72 bzw. 5,26·10^-4 A/cm2 an. • Grenzflächenzustandsdichte: Die besten Proben zeigen eine durch die Leitwertmethode berechnete Grenzflächenzustandsdichte von 9,1·10^10 eV^-1cm^-2. Mit zunehmender Temperzeit steigt diese auf einen Wert von bis zu 7,6·10^11 eV^-1cm^-2 an. Mittels CVD hergestellte HfO2-Schichten auf Germanium weisen Grenzflächenzustandsdichten von 7·10^10 bis 1·10^13 eV^1cm^-2 auf, so dass hier gezeigt wurde, dass sich reaktiv gesputterte HfO2-Layer auf in vacuo getempertem Germanium im unteren Niveau dieser Literaturwerte wiederfinden. • Hysterese und Flachbandspannung: Die Temperzeit hat auf die Flachbandspannung des MOS-Kondensators keinen erkennbaren Einfluss. Die Hysterese hingegen sinkt mit zunehmender Temperzeit von 0,28 auf 0,03 Volt. • MOSFET-Teststrukturen: Die im Folgeantrag geplanten Untersuchungen der Auswirkungen der Temperung auf die effektiven Kanalbeweglichkeiten in MOSFET-Teststrukturen konnte durch die Halbierung der beantragten Projektlaufzeit nicht behandelt werden. Es wurde ein erster Prozess zur Herstellung von Ge-MOSFETs mit HfO2 als Gatedielektrikum entwickelt und anhand einer Probe konnten die pn-Dioden der Source-Drain-Gebiete sowie der Gatestack funktional realisiert werden. Die stark negative Schwellspannung und früh durchbrechenden pn-Übergänge führten dazu, dass Untersuchungen zur Kanalbeweglichkeit nicht mehr möglich waren.
