p-MOSFET の Al-PMA 効果

Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト を Ge 基 板 に 埋 め 込 ん だ メ タ ル S/ D コ ン タ ク ト の 特 性 は 、 縦 方 向 I-V 特 性 に よ っ て 評 価 し た 。 結 果 と し て 、~10⁴ の オ ン オ フ 比 と 0.62 eV の ΦB Nを 有 す る 良 好 な コ ン タ ク ト 特 性 を 示 し 、埋 め 込 み S/ D 構 造 に よ る 特 性 劣 化 は な い こ と を 確 認 し た 。図 4.11 に 、300、325 お よ び 350^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET の ド レ イ ン 電 流 － ド レ イ ン 電 圧（ID-VD）特 性 を 示 す 。こ こ で 、チ ャ ネ ル 長 （L） お よ び チ ャ ネ ル 幅 （W） は そ れ ぞ れ 100 お よ び 390 m で あ る 。 図 4.4 お よ び 4.5 の MOSCAP の 結 果 よ り 、作 製 し た 全 p -MOS FET の 界 面 品 質 は Al -PMA 温 度 に 依 存 せ ず ほ ぼ 一 定 で あ る に も 拘 わ ら ず 、325^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET が 最 も 高 い 電 流 駆 動 力 を 示 し た 。こ の 高 い 電 流 駆 動 力 は 、Al -PMA に よ る μhの 向 上 に 関 連 し て い る と 推 測 さ れ る 。 図 4.12 に 300、325、350 お よ び 400^oC の Al -PMA を 施 し た p-MO SFET の VD= -0.01V に 於 け る ソ ー ス 電 流 － ゲ ー ト 電 圧（IS-VG）特 性 を 示 す 。ま た 、各 p -MOSFET の IS-VG特 性 の SS か ら 算 出 し た Di tを 表 4.4 中 に 纏 め た 。 こ れ ら の Di tの 値 は 2-3×10^{1 2} cm^{- 2}eV^{- 1}の 範 囲 に あ り 、MOSCAP で 調 べ た 結 果 と 同 様 に 、Al -PMA の 温 度 に 依 ら ず 同 品 質 の 界 面 を 持 つ こ と を 確 か め た 。

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図 4.11 300, 325 お よ び 350^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET の ID-VD特 性.

図 4.12 各 温 度 で Al -PMA を 施 し た p -MO SFET の IS-VG特 性.

-2 -1 0

0 2 4 6 8 10

12

³⁰⁰

oC Al-PMA

-0.5 V -1.0 V -1.5 V V_G - V_TH = -2 V

Drain current I

D

[ 10

-4

A ]

V_TH = -0.65 V

-2 -1 0

325^oC Al-PMA

-0.5 V -1.0 V -1.5 V -2.0 V

Drain voltage V

_D

[V]

V_TH = -0.23 V

-2 -1 0

350^oC Al-PMA

-0.5 V -1.0 V -1.5 V -2.0 V

V_TH = 0.04 V

-2 -1 0

10^-8 10^-7 10^-6 10^-5

300^oC Al-PMA 325^oC Al-PMA 350^oC Al-PMA 400^oC Al-PMA IS [A]

V_G [V]

L/W = 100/390 m V_D = -0.01 V

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表 4.4 Al -PMAを 施 し た p -MOSFETの VF B, CO X, VT H, Di t, pea k μh, ΔVT H, Qf+Qi t T H.

PMA t emp[^oC] i deal 300 325 350 400

VF B [ V ] -0.03 0.26 0.45 0.83

CO X[ mF/ c m²] 0.48 0.48 0.50 0.51

VT H [ V ] -0.22 -0.65 -0.23 0.04 0.31

Di t[eV^{- 1}c m^{- 2}] … 1.5×10^{1 2} 1.7×10^{1 2} 2.4×10^{1 2} 3.3×10^{1 2}

peak μh[ c m²/ V s] … 231 468 393 255

ΔVT H [ V ] … -0.43 -0.01 +0.26 +0.53 𝑄_𝑓+ 𝑄_𝑖𝑡^𝑇𝐻[ cm^{- 2}] … 1.3×10^{1 2} -2.7×10^{1 0} -7.5×10^{1 1} -1.7×10^{1 2}

図4.13にAl -PMAを 施 し たp -MOSFETのμh-VG特 性 を 示 す 。ま た 、各p -MOSFET に 於 け る μhの ピ ー ク 値 を 表 4.4 に 纏 め た 。μhは 、 式 （3.7） を 用 い て VD= -0.01V の IS-VG の デ ー タ よ り 算 出 し た 。 作 製 し た 全 p -MOSF ET の 界 面 特 性 は Al -PMA 温 度 に 依 存 し な い に も 拘 わ ら ず 、325^oC の Al -PM A を 施 し た デ バ イ ス が 468 cm²/ V s の 高 い μhを 示 し て い る 。こ れ は ID-VD特 性 の 結 果 と 一 致 し て い る 。こ の 現 象 は 、μh が 必 ず し も 界 面 品 質 （Di tお よ び Db t） に の み 依 存 す る の で は な い 、 と い う 事 を 意 味 し て い る 。

325^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET の μhは 300^oC の も の よ り 2 倍 ほ ど 高 い が 、図 4.13 に 示 す 様 に 、μhの 向 上 は 低 VG領 域 の み に 限 定 さ れ て い る 。一 般 に 、 低 電 界 領 域 に 於 け る μhの 低 下 は 、Di t、Db tお よ び Qfに よ る ク ー ロ ン 散 乱 が 支 配 的 で あ る こ と が 知 ら れ て い る[ 16]。300-4 00^oC の 範 囲 の Al -PM A 処 理 で Di tお よ び Db t は ほ ぼ 同 じ 値 と な っ て い る た め 、 ピ ー ク μh の Al -PMA 温 度 依 存 性 は Qf

に 関 連 す る と 考 え ら れ る 。 こ こ で 、Al -P MA を 施 し た p-MO S FET の ピ ー ク μh、 VF Bお よ び し き い 値 電 圧（VT H）の 3 つ が 重 要 な パ ラ メ ー タ と な る 。Qi tを 考 慮 し

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た VF Bお よ び VT Hは 以 下 の 式 で 与 え ら れ る[ 16]。

OX FB it f Ge

metal

FB

C

Q

V Q 





 (   )

（4.2）

0 TH OX

FB it TH it FB

TH

V

C Q V Q

V    

（4.3）

OX D Ge B B

TH

C

N

V

⁰

 2   ⁴ q  

（4 .4）

こ こ で 、Qi t

F Bお よ び Qi t

T H は 、 そ れ ぞ れ VG=VF Bお よ び VG=VT H に 於 け る 界 面 ト ラ ッ プ 電 荷 密 度 で あ る 。ま た 、ψBは 真 性 フ ェ ル ミ レ ベ ル と フ ェ ル ミ レ ベ ル の エ ネ ル ギ ー 差 、q は 素 電 荷 、εG eは Ge の 比 誘 電 率 、お よ び NDは ド ナ ー 濃 度 で あ る 。 各 温 度 で Al -PMA 処 理 を 行 っ た p -MOSFE T よ り 、 実 験 的 に 得 ら れ た VF Bお よ び VT Hの 値 を 表 4.4 に 示 す 。 ま た 、VF Bお よ び VT Hの Al -PMA 温 度 依 存 性 を 図 4.14 に 示 す 。VF B の 値 は S/ D を 接 地 し た ゲ ー ト － バ ル ク 容 量 （CG B-VG） 測 定 よ り 算 出 し た 。ま た 、VT H は IS/gm

1 / 2

-VGプ ロ ッ ト の x 軸 と の 切 片 よ り 算 出 し た 。VG=VF B

お よ び VG=VT Hに 於 け る バ ン ド 図 を 、 そ れ ぞ れ 図 4.15（a） お よ び （b） に 示 す 。 式 （4.4） よ り 、 本 研 究 で 作 製 し た p -MOS FET の VT H

0は 0.36 V と 算 出 さ れ た 。 一 方 で 、 表 4.4 お よ び 図 4.14 に 示 す VF Bと VT Hの 差 は 0.4 -0.6 V の 範 囲 に あ り 、 VT H0の 値 よ り~0.15 V 程 大 き い 。 こ の 差 （~0.15 V） は 、 フ ラ ッ ト バ ン ド 状 態 と バ ン ド 曲 り が 2ψBの 状 態 と で EFの 位 置 が 変 化 し て 、ア ク セ プ タ ラ イ ク な 界 面 ト ラ ッ プ 電 荷 量 の 変 化 に 起 因 す る 。(qDi t×2ψB）/CO X = 0.15 V の 関 係 か ら 求 め た Di tは~2×10^{1 2} c m^{- 2}eV^{- 1}と 得 ら れ た 。こ の 値 は 、Ei+ψBか ら Ei-ψB （ψB = 0.145 eV）

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図 4.13 Al -PMA を 施 し た p -MOSFET の μh-VG特 性.

図 4.14 VF Bお よ び VT Hの Al -PMA 温 度 依 存 性.

図 4.15 VG=VF Bお よ び VG=VT H に 於 け る バ ン ド 図. ま で の 範 囲 の 平 均 の Di tを 意 味 す る 。

300 325 350 375 400 -0.9

-0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9

V_FB-V_TH 0.5 V

V_FB V_TH

V

TH

, V

FB

[V]

Al-PMA temperature [

^o

C]

L/W = 100/390 m

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0

100 200 300 400

500

L/W = 100/390 m, V_D = -10 mV 300^oC Al-PMA

325^oC Al-PMA 350^oC Al-PMA 400^oCAl -PMA

Fiel d effect mobi lity 

h

[ cm

2

/Vs ]

Gate voltage V

_G

[V]

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図 4.16 ピ ー ク μhの VT H依 存 性.

作 製 し た 全 て の p-M OSFETに 於 け る VT Hと ピ ー ク μhの 関 係 を 図 4.16に 示 す 。 高 い ピ ー ク μhの ポ イ ン ト は 、V_G= -0.2 V 周 辺 に 集 中 し て い る 。こ れ は 、式（4.3）

よ り 得 ら れ る 、 ク ー ロ ン 散 乱 中 心 の 存 在 し な い 理 想 的 な 状 態 （Qf+Qi t

T H=0） の VT H（= -0.22 V）と 非 常 に 近 い 。こ の 計 算 に 於 い て 、Al の Φm e t a lは 図 4.4 の VF B-EOT プ ロ ッ ト で 用 い た 4.3 eV を 使 用 し た 。μhの Al -PMA 温 度 依 存 性 は 、 ク ー ロ ン 散 乱 中 心 の 量 に よ っ て 説 明 す る こ と が で き る（ 図 4.17）。300^oC の Al -PMA で は 主 に ダ イ ポ ー ル の 消 失 お よ び 界 面 準 位 の 終 端 の み が 起 こ り 、GeO2 中 に 存 在 す る OV

+の 中 性 化 は ほ と ん ど 起 こ ら な い 。そ の 結 果 、Qf+Qi t

T Hは 大 き く な り 、チ ャ ネ ル 中 を 伝 導 す る 正 孔 が ク ー ロ ン 散 乱 を 受 け て μhが 劣 化 す る 。325^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET で は 、 負 に 帯 電 し た 原 子 の 発 生 に よ り OV

+の 中 性 化 が 起 こ る 。そ の 結 果 、ク ー ロ ン 散 乱 中 心 が 非 常 に 少 な く な っ て μhが 向 上 し た と 考 え ら れ る 。 一 方 、350 お よ び 400^oC の Al -PM A を 施 し た 場 合 、 負 に 帯 電 し た 原 子 が ゲ ー ト ス タ ッ ク 中 で 増 加 す る 。 結 果 と し て 、Qf+Qi t

T H は 負 と な り 、 こ の 電 荷 が ク ー ロ ン 散 乱 中 心 と な る と 考 え ら れ る 。

-0.8 -0.4 0.0 0.4

100 200 300 400

500

^VTH(=-0.22 V) for the ideal case

A

300^oC Al-PMA, 325^oC Al-PMA 350^oC Al-PMA, 400^oC Al-PMA

Peak 

h[

cm

2

/Vs

]

Threshold voltage V

_TH

[V]

80

図 4.17 Al -PMA 効 果 の メ カ ニ ズ ム.

同 様 の 構 造 を 持 つ EOT =50 nm の メ タ ル S/ D 型 Ge p -MOSFET の VT Hお よ び μh

は 、300^oC の Al -PM A に 於 い て そ れ ぞ れ-2.17 V お よ び 147 cm²/ V s、400^oC の Al -PMA に 於 い て そ れ ぞ れ-1.15 V お よ び 336 c m²/ V s で あ っ た[ 3]。400^oC の Al -PMA を 施 し て も 、本 節 で 得 ら れ た ピ ー ク μh（468 c m²/ V s）よ り 低 い 。そ の 理 由 は 次 の 様 に 考 え ら れ る 。こ の p -MOSFE T に 於 け る 理 想 VT Hは 、式（4.3）よ り -0.65 V と 算 出 さ れ 、こ の 値 は 400^oC の Al -PMA を 施 し た p -M O SFET の VT Hよ り も 0.5 V 程 高 い 。 つ ま り 、GeO2膜 に 達 し た Al 原 子 の 量 が 少 な く 、 そ れ に よ っ て OV

+が 少 し 残 存 し て い る と 考 え ら え る 。 結 果 的 に Qf+Qi t

T H が 正 と な り 、 ク ー ロ ン 散 乱 の 低 減 が 十 分 で は な か っ た と 考 え ら れ る 。 こ の 解 釈 は 、4.2 節 に 於 け る 図 4.3 の 結 果 を 支 持 し て い る 。

測 定 値 か ら 得 た VT Hと 理 想 VT Hの 差 （ΔVT H） と Qf+Qi t

T H＝-CO XΔVT H の 関 係 を 用 い て 、 ク ー ロ ン 散 乱 中 心 と し て 働 く Qf+Qi t

T Hの 定 量 的 な 値 を 算 出 し た 。 本 研 究 に 於 け る 4 種 類 の p -MOSFET の ΔVT Hお よ び Qf+Qi t

T Hの 値 を 表 4.4 に 纏 め た 。 325^oC の Al -PMA を 施 し た p -MOSFET の 総 電 荷 量 は-2.7×10^{1 0} cm^{- 2} と 得 ら れ 、 Si O2/ Si -MOS 構 造 に 匹 敵 す る 低 い 値 で あ る 。 こ れ は 他 の 温 度 で Al -PMA を 行 っ た p -MOSFET と 比 較 し て 圧 倒 的 に 低 く 、ク ー ロ ン 散 乱 が 低 減 し た こ と を 定 量 的 に 説 明 で き る 。

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ドキュメント内 九州大学学術情報リポジトリ Kyushu University Institutional Repository メタル ソース / ドレイン型 Ge-CMOS のためのデバイス化技術に関する研究 永冨, 雄太 出版情報 : 九州大学 (ページ 80-87)