Εναπόθεση με MBE και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων διηλεκτρικών CeΟ₂ και HfΟ₂: εφαρμογή στα mosfet

Abstract

In this dissertation, the growth and the properties of thin HfΟ₂ and CeΟ₂ layer, grown on Ge substrates, are studied, towards the combination of high-k gate-dielectrics with high mobility semiconductors. The studied oxides are MBE-grown, while the growth mechanisms are studied by means of several characterization techniques, (transport measurements, XRR, XPS, ToF-SIMS, TEM), towards the optimization of the structural and electrical properties of the systems and, eventually, their use in operational optimized MOSFET. As it known from the literature, the direct growth of HfΟ₂ on Ge-substrate leads to devices with poor electrical characteristics. By inserting, between HfΟ₂ and Ge, of an interlayer of GeON, it is obtained an optimization of the electrical characteristics, (lg~1x10-8 Α/cm², Dìt~5x10¹²-10¹³eV⁻¹cm⁻² χαμηλές τιμές EOT). On the other hand, it is found out (by ToF-SIMS) that the penetration of Ge-atoms in the oxide interlayer leads to structural instability. This instability is overcome by growing a CeΟ₂-interlayer on Ge, which results in the formation of an intermediate ternary oxide (Ge-O-Ce) that operates as a stable screening layer, giving optimized electrical characteristics to the MOS systems. It is obtained, by XPS measurements, that this specific layer is characterized by varying oxidization states of Ge (Ge²⁺, Ge³⁺), than the ones obtained during the direct oxide evaporation on Ge (Ge⁴⁺), fact that might explain the better electrical characteristics. In spite that this interlayer could not be used as well as gate-dielectric, (leakage current, lg~0.1 A/cm², and difficulties in scale-down), nevertheless, it is an optimum screening layer. The previous results lead to an HfΟ₂/CeΟ₂/Ge combination, which assures a proper gate-dielectric with reduced leakage current (HfΟ₂) and low density of surface states (Dit~10¹¹eV⁻¹cm⁻², due to CeΟ₂). This characteristics are exploited in the construction of operational transistors, in collaboration with IMEC. More specifically, a series of TiN/HfΟ₂/CeΟ₂/Ge transistors are constructed, using three different formation procedures. The results have led in operational transistors, with characteristics (EOT~21.9Å, lg~10⁻⁶-10⁻⁵ A/cm, Dit<1x10¹²eV⁻¹cm⁻²), which are the highest one the literature. It worth to mention the high Ion/Ioff ratio (~10⁶), which is due to the very low Ioff obtained. It is also worth to note that the n-FET systems based on the above combination, (in spite of their poor records, in comparison to the corresponding p-FETs), were operational, for the first time with similar material combination for transistors.

Στην παρούσα διατριβή μελετάται η ανάπτυξη και οι ιδιότητες λεπτών υμενίων HfΟ₂ και CeΟ₂, ανεπτυγμένων σε υπόστρωμα Ge, με στόχο τον συνδυασμό διηλεκτρικών πύλης υψηλής διηλεκτρικής σταθερός με ημιαγώγιμα υλικά μεγάλης ευκινησίας φορέων. Τα οξείδια αναπτύσσονται με την τεχνική της μοριακής επιταξίας και οι μηχανισμοί ανάπτυξης μελετώνται με διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού (ηλεκτρικές μετρήσεις, XRR, XPS, ToF-SIMS, ΤΕΜ). Η κατανόηση των μηχανισμών ανάπτυξης επιτρέπει την βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων τους και, τελικά, τη χρήση τους σε λειτουργικά MOSFET, με πολύ καλά χαρακτηριστικά. Είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία ότι η απευθείας ανάπτυξη του HfΟ₂ σε υπόστρωμα Ge δίνει διατάξεις με φτωχά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Με την παρεμβολή, μεταξύ HfΟ₂ και Ge, ενός στρώματος GeON, επετεύχθη μεν βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών (lg~1x10-8 Α/cm², Dìt~5x 10¹²-10¹³eV⁻¹cm⁻², χαμηλές τιμές EOT), διαπιστώθηκε όμως (με τεχνική ToF-SIMS) εισχώρηση ατόμων Ge στο υμένιο του οξειδίου, με αποτέλεσμα δομική αστάθεια. Η αστάθεια αυτή αντιμετωπίστηκε με την ανάπτυξη, επί του Ge, μιας επίστρωσης οξειδίου του Δημητρίου (CeΟ₂, η παρεμβολή της οποίας έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ενός ενδιάμεσου μικτού οξειδίου (Ge-O-Ce), το οποίο είναι “φιλικό” με το Ge, και λειτουργεί ως σταθερό στρώμα θωράκισης, προσδίδοντας στο MOS καλά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Διαπιστώθηκε, με τεχνική XPS, ότι αυτό το στρώμα, παρουσιάζει διαφορετικές καταστάσεις οξείδωσης Ge (Ge²⁺, Ge³⁺), από αυτές, που δημιουργούνται κατά την απευθείας εναπόθεση οξειδίου πάνω στο Ge (Ge⁴⁺), και στο γεγονός αυτό αποδίδεται, σε πρώτη προσέγγιση, η βελτίωση των χαρακτηριστικών. Παρ’ ότι το στρώμα αυτό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, ταυτόχρονα, ως διηλεκτρικό πύλης, (ρεύμα διαρροής lg~0.1 A/cm², και αδυναμία σμίκρυνσης των διαστάσεών του), εντούτοις, αποτελεί ένα άριστο στρώμα θωράκισης. Τα προηγούμενα αποτελέσματα οδηγούν στο συνδυασμό HfΟ₂/CeΟ₂/Ge, ο οποίος εξασφαλίζει κατάλληλο διηλεκτρικό πύλης με ελαττωμένο ρεύμα διαρροής (HfΟ₂), και χαμηλή πυκνότητα διεπιφανειακών καταστάσεων (Dit~10¹¹eV⁻¹cm⁻², λόγω του CeO₂), χαρακτηριστικά που αξιοποιήθηκαν με την κατασκευή λειτουργικών transistors, σε συνεργασία με τα εργαστήρια της IMEC. Συγκεκριμένα κατασκευάστηκε, μια σειρά transistors TiN/HfΟ₂/CeO₂/Ge και ακολουθήθηκαν τρεις διαφορετικές μέθοδοι επεξεργασίας. Το αποτέλεσμα οδήγησαν σε λειτουργικά transistors, με ιδιότητες (EOT~21.9Å, lg~10⁻⁶-10⁻⁵ A/cm, Dit<1x10¹²eV⁻¹cm⁻²), που ήταν οι καλύτερες στη διεθνή βιβλιογραφία, με ιδιαίτερη αναφορά στον πολύ υψηλό λόγο Ion/Ioff (~10⁶), λόγω του ιδιαίτερα μικρού ρεύματος Ioff που παρουσιάζουν. Σημειώνεται ότι ακόμα και τα n-FET των παραπάνω συνδυασμών, ήταν λειτουργικά (αν και με χειρότερες επιδόσεις από τα αντίστοιχα p-FET) γεγονός, που έως τώρα δεν έχει παρατηρηθεί σε άλλους συνδυασμούς υλικών για transistors.