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2014/2/4
物理電子システム創造専攻
平成25年度 修士論文発表会
Interface control process toward
un-pinned metal/germanium
Schottky contact
角嶋・岩井研究室
12M36374 吉原 亮
Tokyo Institute of Technology
1
n型p型MOSFETにおける高チャネル材料
Si
Ge
elecrton mob.
1600
3900
(cm2/Vs)
electron
mt:0.19 mt:0.082
effective
ml:0.916 ml:1.467
mass (/m0)
hole mob.
430
1900
(cm2/Vs)
GaAs
InP
InAs
InSb
9200
5400
40000
77000
0.067
0.08
0.026
0.0135
400
200
500
850
Ge
hole effective mHH:0.49 mHH:0.28 mHH:0.45 mHH:0.45 mHH:0.57 mHH:0.44
mass (/m0) mLH:0.16 mLH:0.044 mLH:0.082 mLH:0.12 mLH:0.35 mLH:0.016
band gap (eV)
1.12
0.66
1.42
1.34
0.36
0.14
permittivity
11.8
16
12
12.6
14.8
17
Si
I. Vurgaftman, et al., J. Appl. Phys., 89, p. 5815 (2001).
Table from S. Takagi, IEDM Short course (2011).
移動度バンドギャップを考慮したチャネル選択
n型・・・InGaAs、Ge
ｐ型・・・Ge
Geは同一材料で構成が期待できるチャネル
プロセスの簡略化によりコスト低減が可能
C. H. Lee, et al., IEDM p. 416 (2010).
High electron mobility
with Ge channel
(after Dit reduction process)
n型p型 両MOSFETチャネル材料として
Geが注目されている
2
Ge MOSFET S/D接合の課題
P, As, Sb (>500oC) の高い拡散係数
ドーパント活性化の不完全性
A. Axmann, et al., Appl. Phys., 12, pp. 173 (1977).
S. Mirabella, et al., J. Appl. Phys., 113 031101 (2013).
Si
Ge
EA(eV)
D0(cm2/s)
EA(eV)
D0(cm2/s)
P
3.69
1.05×101
2.07
4.38×10-2
As
3.56
3.20×10-1
3.32
1.45×106
Sb
3.96
2.28
1.189×101
Dopant
5.60
C. O. Chui, et al., Appl. Phys. Lett., 83, 3275 (2003).
Siにおいても同様であるがGeの場合より深刻な課題
Ge MOSFET S/Dにおいてドーパントの
拡散と活性化の制御が要求される
3
Gate Source/Drain (S/D) の導入
Metal Schottky
Lphy
Source
Drain
Drain
J. M. Larson, TED, 53, 1048 (2006)
 Gate 


Lphy = Leff
Metal Conc.
mask
- 急峻かつ極浅接合
- 短チャネル効果抑制
Source
- 低寄生抵抗
- 低熱処理温度プロセス
Dopant Conc.
Advantages of metal Hard
Schottky S/D
Gate
y position
y position
Conventional doping
Schottky junction
Gate
Ge p-MOSFETでは多くのmetal
Schottky接合(PtGe2, NiGe, etc.) が
報告されている
R. Li, et al., EDL, 27, p. 476 (2006).
微細化Ge MOSFETsにおいて
metal Schottky接合を用いることが期待されている
4
MetalとGe界面におけるフェルミレベルピニングの課題
A. Dimoulas et al., Appl. Phys. Lett.,89, 252110 (2006).
Proposed origins of pinning
金属誘起準位(MIGS)
外因性欠陥
ダングリングボンド
界面の原子配列の乱れ（ラフネス）
P. S. Y. Lim, Appl. Phys. Lett.,101, 172103 (2012).
Metal/Geは価電子帯付近にフェルミレベルがピニングされる
p-MOSFETにとっては望ましいがn-MOSFETでは大きな課題
un-pinnedプロセスの発展が必要である
5
実質的Ge基板un-pinned processの先行研究
Insertion of thin SiN layer
M. Kobayashi, et al., J. Appl. Phys., 105, 023702 (2009).
SiN厚さに敏感で寄生抵抗とトレードオフの関係
Formation of amorphous Ge layer
M. Iyota, et al., Appl. Phys. Lett., 98, 192108 (2011).
M. Mitsuhara, et al., JSAP Autumn meeting (2012).
プロセス条件に敏感で
熱処理条件に制限がある
Schottky S/Dで要求されるun-pinned process条件
界面に絶縁膜を挿入することのないLow fBn (Ohmic) 接合
広く安定したプロセス領域 (電圧, 熱処理温度など)
6
本研究の目的
低抵抗かつ安定性がもとめられる将来のデバイス応用に向けて
un-pinned Melal/Geコンタクト作製のガイドラインの提案
1．界面反応を抑制しラフネスが少ないプロセスの構築
2．障壁値変調のための界面不純物導入技術
3．障壁値変調の検証
7
1．界面反応を抑制しラフネスが少ないプロセス
の構築
2．障壁値変調のための界面不純物導入技術
3．障壁値変調の検証
8
S/Dメタル選択
S/Dのメタルとして必要な膜の仕様




低抵抗（～200mWcm）（ITRSロードマップ）
耐熱性（界面反応、凝集）
表面モフォロジー
現状CMOSと互換性のある元素
シリサイド系 or ナイトライド系
• NiSi2バルクの比抵抗(34mWcm程度)
• 850℃で界面反応抑制、凝集なし
850 oC
20nm
L. Knoll et al., IEEE EDL, 31, 350, 2010
本研究ではNiSi2をS/Dメタルとして選択
9
Ge基板上のNiSi2の安定性
R. Yoshihara, et al., ECS 222nd Meeting, ECS Trans.,50, 9, p. 217-221 (2012).
XPSによる組成分析
8 set of
Si/Ni layers
n-Ge(100) sub.
Nd ＝ 4x1016cm-3
NiSi2形成のため
NiとSiの原子数の
比を2:1とする膜厚
を設定
特長として低温で
NiSi2形成可能
Intensity (a.u.)
Si(1.9nm)
/Ni(0.5nm)
NiSi2
NiSi
AFMによる表面粗さ (rms)
NiGe
Ni 2p3/2
h=7940 eV
TOA=80o
500
857
800 oC
oC
856
855
854
853
852
851
Binding energy (eV)
熱処理温度500 oCにおいて
NiGeの反応を抑制しNiSi2を形成
rms Roughness (nm)
積層silicide process
6.0
on n-Ge
4.0
Stacked
NiSi2
2.0
0
as
depo.
200 300 400 500 600 700
Annealing temperature (oC)
熱処理温度600 oCまで平坦な
表面を実現
350oC~600oCの広い熱処理温度領域で
安定な界面反応の抑制を実現
10
NiSi2のJ-V特性 fBn と ideality factorsの抽出
fBn (eV)
102
101
100
600oC
as depo.
10-1
Ideality factor
Current density (A/cm2)
0.60
400oC
500oC
10-2
10-3
-1.0
0
Applied voltage (V)
1.0
Stacked NiSi2
0.55
0.50
Ni(5.5nm)
0.45
3.0
Ni(5.5nm)
2.0
1.0
Stacked NiSi2
as
depo.
400
500
600
Annealing temperature (oC)
500 oC まで安定したfBn（～0.58 eV）と理想係数（＜1.2）を得た
11
11
1．界面反応を抑制しラフネスが少ないプロセス
の構築
2．障壁値変調のための界面不純物導入技術
3．障壁値変調の検証
12
Metal/Ge界面にPを導入した積層silicide process
Metal/Ge 界面にP原子導入
Si(1.9nm)
/Ni(0.5nm)
Annealing
7 set of
Si/Ni layers
n-Ge(100) sub.
Nd ＝
4x1016cm-3
Si(1.9nm)
Ni3P(0.68nm)
NiSi2
n-Ge(100) sub.
Corresponds to P atoms of 4.6x1015 /cm2
最初のNi層の代わりにNi3P層をスパッタで堆積
障壁値変調に適したプロセスとして期待
13
NiSi2：P/GeのTEM断面図
10nm
平坦な表面・界面
界面わずかにコントラストが生じた
凝集による凹凸、界面反応、SiO2の形成
・界面反応を抑制し平坦な表面・界面を実現
・界面にコントラストのある1nm層を形成
14
熱処理によるP濃度導入の影響
Backside SIMS深さ方向分布
EDX分析
NiSi2
C Ge Si
500oC
1022
NiSi2
Counts
250
200
10nm
Ni
150
Ge
Ni
O
100
Ge sub.
P
Ar
50
Ni
0
0
2
4
6
8
10
Energy (keV)
薄い層でGe/P/Ni/Siの混合層形成を確認
P concentration (cm-3)
300
Ge sub.
1021
after 500 oC
annealing
1020
1019
before
1018
1017
1016
0
10
20
30
40
50
60
Depth (nm)
熱処理に伴い不純物が拡散
依然として界面に高濃度のPが存在
界面にある不純物と熱処理に伴う基板への不純物拡散
により障壁値変調に期待
15
1．界面反応を抑制しラフネスが少ないプロセス
の構築
2．障壁値変調のための界面不純物導入技術
3．障壁値変調の検証
16
P導入によるGe diodeの電流特性の変化
30
20
500oC
600oC
Si(1.9nm)
/Ni(0.5nm)
400oC
10
0
P incorporation
as
depo.
n-Ge sub.
-10
n-Ge (100)
(Nd=4x1016cm-3)
-20
-30
-1.0
-0.5
0
0.5
Anode voltage (V)
1.0
Current density (A/cm2)
Current density (A/cm2)
without incorporation
30
20
n-Ge (100)
600oC
(Nd=4x1016cm-3)
500oC
10
0
as
depo.
-10
Si(1.9nm)
/Ni(0.5nm)
-20
-30
-1.0
400oC
300oC
Ni3P
(0.68nm)
-0.5
0
n-Ge sub.
0.5
1.0
Anode voltage (V)
吉原亮.et al 2012年秋季応用物理学会
Pを導入することで300 oC以上の熱処理温度においてn型Ge
でオーミック特性を得ることができた
17
600 oCまで安定したオーミック特性を示した
P導入によるコンタクト抵抗の抽出
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-1.0
600oC
30mm
300oC
700oC
200oC
800oC
as-sputtered
-0.5
0.0
0.5
Voltage (V)
1.0
Contact resistance (Wcm2)
Current (mA)
60mm CTLM (circular transmission line model)
10-1
n-Ge (4x1016cm-3)
10-2
10-3
200
300
400
500
600
700
Annealing temperature (oC)
熱処理温度依存性がほとんどない
安定したコンタクト抵抗が得られた
18
コンタクト抵抗から抽出したfBn
TE
q
N
E00 
2 m s
TFE
FE
kT  E00 の場合TFEが支配的に
 qfBn  fn 
qfn 
 E00 
 E00 

c  
cosh

 coth
 exp 
qA T qfBn  fn 
 kT 
 kT 
 E00 cothE00 kT  kT 
k E00
n-Ge： Nd ＝ 1x1018 cm-3
c  8.0 103 Wcm 2 において
fBn  0.44 eV
※不純物なしのNiSi2/Ge：fBn  0.58 eV
Contact resistance (Wcm2)
Ng, K.K. et al., IEEE Trans. Electron Devices, 37, 1535-1537 (1990).
101
100
Nd ＝ 1x1018cm-3
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
0.3
0.4
0.5
0.6
Schottky barrier height fBn (eV)
電気的に障壁値が変調したと示唆される
19
Intensity (a.u.)
XPSによるGe基板バンド曲がりの観測
P incorporation
Ge 2p3/2 spectra
h=7940 eV
TOA=80o
500 oC 1min
TOA=80o
without
incorporation
NiSi2 10nm
Ge
h=7940eV
IMFP(l)~10nm
0.3 eV
0
distance from surface Ge
(3l~36nm)
(3l~30nm)
Z
1219
1218
1217
1216
Binding energy (eV)
吉原亮.et al 2013年春季応用物理学会
Ge基板のバンド曲がりの変化により
スペクトルがシフトしたと考えられる
s
NiSi2 only
Ge 2p3/2
s,P
with P incorporation
BE
Pの導入により表面電位が増加し
un-pinを実現
20
まとめ
目的
un-pinned Metal/Geコンタクトを実現する
ガイドラインの提案
1．平坦な表面・界面をTEMにより確認した
2．界面に不純物を導入し300℃～600℃で安定した
オーミック特性とコンタクト抵抗を得た
3．コンタクト抵抗とXPSから障壁値の変調を確認した
界面反応を抑制し
広い熱処理温度領域で安定したコンタクト抵抗を示す
un-pinned Metal/Geコンタクトのガイドラインを提案できた
21