通过非晶氮化硼钝化技术提高锗金属氧化物半导体（Ge MOS）电容器的电气性能和接口质量

《Applied Surface Science》：Enhanced electrical performance and interface quality in Ge MOS capacitors via amorphous boron nitride passivation

本研究提出在Ge衬底与HfO?介电层之间使用非晶硼氮（a-BN）钝化层，有效降低界面陷阱密度至1.22×1012 cm?2 eV?1，边界陷阱密度降至2.51×101? cm?3 eV?1，C-V滞回减少至31 mV，并抑制漏电流增长。实验表明a-BN在化学和物理钝化方面优于传统层，显著提升Ge基MOS器件可靠性。

　　

作者：Ikgeun Kwon、Sanggyu Bang、Hee-Dong Kim

韩国首尔广津区东西路209号世宗大学半导体与系统集成电路研究所，半导体系统工程与智能无人机融合工程系，邮编05006

摘要

基于锗（Ge）的金属氧化物半导体（MOS）器件在下一代技术中具有巨大潜力，但其不稳定的本征氧化物（GeO_x）和高界面陷阱密度限制了器件的可靠性。本研究提出了一种有效的解决方案：在Ge衬底和HfO₂栅极介质之间使用非晶氮化硼（a-BN）作为钝化层。采用a-BN钝化的Ge MOS电容器表现出更好的性能，界面陷阱密度降低了75%，降至1.22×10¹² cm^?2eV^?1；边界陷阱密度降低了67%，降至2.51×10¹⁹ cm^?3eV^?1；同时C–V滞后现象最小，仅为31 mV。此外，在应力作用下漏电流的增加被抑制在6%以下，相比其他钝化层提高了10–30倍，这归因于a-BN抑制了GeO_x的形成并在界面处形成了稳定的Ge–N键。这些结果表明，a-BN作为化学和物理钝化层具有显著效果，为提高基于Ge的MOS器件的界面质量和长期可靠性提供了有效途径。

引言

基于硅（Si）的互补金属氧化物半导体（CMOS）的持续快速缩放已接近其物理极限[1]。研究人员越来越多地关注具有更高载流子迁移率的替代沟道材料，如锗（Ge）和III-V族半导体[2]。其中，Ge因其电子迁移率（3900 cm² V^?1 s^?1）和空穴迁移率（1900 cm² V^?1 s^?1）远高于Si而成为下一代金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的强劲候选材料。此外，作为IV族元素，Ge比III-V族半导体更容易集成到现有的Si工艺中[3]。 然而，与高k/Si界面相比，实现高质量的高k/Ge界面仍是一个重大挑战。这主要是由于本征Ge（GeO_x）的热力学不稳定性和较弱的结合能[4]。此外，高k介电材料在沉积和退火过程中可能与Ge发生反应，导致界面和边界陷阱密度增加，从而严重降低器件性能[5]。因此，实施有效的表面预处理以在高k介电材料和Ge之间形成高质量界面对于克服本征GeO_x的不稳定性和挥发性至关重要，从而推动Ge MOS技术的发展。 为了改善Ge MOS器件的界面性能，人们研究了多种钝化层（PL），如氧化锗氮化物（GeO_xN_y）、氧化铝（Al₂O₃）和氮化钽（TaON）。每种钝化层在MOS电容器中具有不同的优势：例如，GeO_xN_y可以提高电子迁移率并显著提升沟道性能[6]；Al₂O₃以其优异的化学钝化性能而闻名，具有出色的长期稳定性，被广泛用作Ge电容器的钝化层[7]；TaON也是一种常用的钝化层，它通过抑制氧扩散有效减少了等效氧化层厚度并提高了界面稳定性[8]。尽管这些钝化层具有优势，但它们通常无法充分防止Ge在高频下的氧化和扩散，从而导致额外的界面和边界陷阱形成以及Ge MOS电容器漏电流的增加，最终降低器件电气性能[3]。 在本研究中，我们探索了非晶氮化硼（a-BN）作为Ge电容器的新型钝化层，以显著提升Ge MOS电容器的界面性能。我们通过电容-电压（C–V）和漏电流-电压（J_g–V_g）测量评估了Ge MOS电容器在加热和电场应力下的电气稳定性。此外，还利用热分析、X射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）详细研究了Ge/a-BN界面的性质。结果表明，a-BN钝化层的表现优于TaON和Al₂O₃钝化层：界面陷阱密度降低了约75%，边界陷阱密度降低了67%；在应力作用下，漏电流的增加减少了10–30倍，C–V滞后现象减少了64%，显示出优异的界面质量和电气稳定性。这些显著成果归因于a-BN优异的化学稳定性和低氧及Ge扩散性能。Ge表面显著降低的界面和边界陷阱密度有助于减少漏电流和滞后现象，从而提高界面状态的电气稳定性。因此，标准钝化层中由GeO_x形成引起的高陷阱密度和电气不稳定性问题得到了有效解决，展示了Ge晶圆在先进半导体技术中更广泛应用的巨大潜力。

设备制备

使用了掺杂浓度为0.088–0.183 Ωcm的n型Ge晶圆。为了清洁这些晶圆，将其分别浸入丙酮、甲醇和去离子水中各10分钟进行有机清洗；随后采用标准HF基清洗工艺去除本征GeO_x氧化物层，并用去离子水冲洗和氮气干燥[9]、[10]。清洗完成后，晶圆立即被转移到真空室中...

热场和电场应力下的漏电流特性

为了评估不同钝化层对器件性能的影响，测量了J_g值。如图2(a)–(c)所示，分别在平带电压（V_fb）+1 V的栅压下测量了带有a-BN、TaON和Al₂O₃钝化层的电容器的J_g。在三种器件中，带有a-BN钝化层的电容器在原始状态下的漏电流密度最低（黑色线条），为3.97 A/cm²。还在高温和高电场应力下评估了J_g值。

结论

本研究调查了带有a-BN钝化层的Ge MOS电容器的电气性能和界面特性，并将其与传统的TaON和Al₂O₃钝化层进行了比较。结果表明，a-BN钝化层器件具有优异的电气可靠性，D_it最低，为1.22×10¹² cm^?2eV^?1；N_bt最低，为2.51×10¹⁹ cm^?3eV^?1；C–V滞后现象最小，仅为31 mV。在热场和电场应力条件下，a-BN钝化层表现出显著的稳定性，变化仅为4.03%

作者贡献声明

Ikgeun Kwon：撰写初稿、可视化处理、方法论设计、数据分析。 Sanggyu Bang：撰写修订稿、数据分析、实验设计。 Hee-Dong Kim：撰写修订稿、监督工作、项目管理和资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（该基金会由韩国政府（MSIT）资助，项目编号为RS-2024-00419201）。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（该项目由韩国政府（MSIT）资助，项目编号为RS-2024-00419201）。