Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς σε διατάξεις MOS p-Ge

Abstract

In the present doctoral dissertation, the implementation of high-k dielectrics (Al2O3, HfO2 και ZrO2) was studied as gate materials, in MOS structures developed on p-type Ge substrates. High-k films of 5, 10 and 20nm thickness were grown at three different deposition temperatures via Atomic Layer Deposition technique (ALD). The structural, chemical synthesis as well as their electrical response were studied as a function of deposition temperature and thickness, allowing the determination of the optimum growth parameters for each high-k dielectric.The chemical analysis was performed using the well established XPS technique and the growth of stoichiometric Al2O3, HfO2 και ZrO2 films was established for all deposition temperatures. Furthermore, there was no evidence of any interfacial layer –with different stoichiometry- between the high-k dielectric and the Ge substrate. Structures were also analyzed by TEM and AFM. TEM analysis revealed that the Al2O3 films are amorphous where HfO2 και ZrO2 films exhibit polycrystalline regions. AFM analysis revealed that the surface roughness of all three dielectrics was extremely low (~0.2-0.5nm) comparable to that of bare Ge substrates, as expected. C-V, G-V, C-f and J-V measurements were performed in order to study the electrical behavior of the MOS structures. Through the analysis, the dielectric constant as well as the density of interface traps (Dit) and the equivalent oxide thickness (EOT) of all structures were calculated. The electrical response of the structures appears independent of the deposition temperature. Furthermore, it was found that Al2O3 and HfO2 exhibit lower Dit values compared to ZrO2.Despite the lower Dit values (3x1011 eV-1cm-2) that Al2O3 films exhibit, the calculated EOT of ~3nm prohibits the use of Al2O3 films in Ge technology. On the other hand, HfO2 films offer the possibility of MOS structures with EOT less than 2nm due to its higher dielectric constant compared to Al2O3. Thus, HfO2 was considered as the most promising high-k dielectric in the present work. Two different passivation layers (GeO2 and Al2O3) were also tested, along with HfO2, in order to improve MOS structures electrical response. GeO2 thin passivation films were grown by cold oxygen plasma. This technique was first systematically implemented in this thesis. The GeO2 thickness was studied as a function of the exposure time in cold oxygen plasma. Furthermore, the GeO2 remains stable in atmospheric conditions as well as following the ALD HfO2 deposition on top of it. For the electrical characterization, p-Ge/GeO2/HfO2/Au and p-Ge/Al2O3/HfO2/Au structures were prepared. The leakage currents of the p-Ge/3.2nm GeO2/3nm HfO2/Au structures are significantly reduced by 4 orders of magnitude compared to those of the reference structures. On the contrary, p-Ge/1,5 nm GeO2/3nm HfO2/Au structures exhibit lower leakage currents only by one order of magnitude while keeping the EOT lower than 2nm.The electrical response of the p-Ge/1,5 nm GeO2/3nm HfO2/Au and p-Ge/0.5nm Al2O3/2nm HfO2/Au was studied, from 80K to ambient temperature. The p-Ge/0.5nm Al2O3/2nm HfO2/Au structures exhibit an excellent electrical behavior with Dit values of ~7x1010 eV-1cm-2 , the lowest, to our knowledge, reported. The Dit energy distribution within the energy gap of Ge was also calculated.In summary, taking into account the good interface Al2O3/Ge as well as the high dielectric constant of HfO2, it is evident that the presence of the Al2O3 passivation layer significantly improves the electrical response of the MOS structures which is expressed through the reduction of the Dits while keeping EOT less than 2nm (1.35nm).

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η χρήση των υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (Al2O3, HfO2 και ZrO2), ως διηλεκτρικών πύλης σε δομές MOS ημιαγώγιμου υποστρώματος Γερμανίου τύπου –p. Αναπτύχθηκαν, με τη τεχνική ALD, υμένια πάχους 5, 10 και 20nm σε τρείς διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης. Πραγματοποιήθηκε συστηματική μελέτη των ιδιοτήτων των βασικών αυτών δομών (χημικές, δομικές και ηλεκτρικές) με παράμετρο τη θερμοκρασία εναπόθεσης των υμενίων και το αναπτυσσόμενο πάχος τους. Η συστηματική αυτή μελέτη οδήγησε στην εύρεση των βέλτιστων συνθηκών ανάπτυξης υμενίων για κάθε διηλεκτρικό. Μέσω της μεθόδου XPS επαληθεύτηκε ο σχηματισμός στοιχειομετρικών οξειδίων Al2O3, HfO2 και ZrO2 σε όλες τις θερμοκρασίες ανάπτυξης τους. Επιπλέον, δεν παρατηρήθηκε η δημιουργία οποιουδήποτε ενδιάμεσου στρώματος –διαφορετικής στοιχειομετρίας- μεταξύ του εκάστοτε διηλεκτρικού και του p-Ge. Από την ανάλυση των μικρογραφιών ΤΕΜ, προκύπτει ότι το Al2O3 αναπτύσσεται ως άμορφο, ενώ το HfO2 ως πολυκρυσταλλικό και το ZrO2 με διακριτούς κρυσταλλίτες. Η επιφανειακή τραχύτητα και η ομοιογένεια των υμενίων υπολογίσθηκε, μέσω της ανάλυσης των εικόνων AFM, σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα (~0,2-0,5nm), συγκρίσιμα με αυτά του καθαρού υποστρώματος Ge, όπως αναμενόταν. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών πραγματοποιήθηκε μέσω της λήψης των χαρακτηριστικών C-V, G-V, C-f και J-V. Η ηλεκτρική απόκριση των δομών παραμένει ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία εναπόθεσης των διηλεκτρικών. Από την ανάλυση των ηλεκτρικών μετρήσεων υπολογίσθηκαν οι διηλεκτρικές σταθερές των υμενίων καθώς και η πυκνότητα διεπιφανειακών καταστάσεων (Dit) καθώς και το ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (ΕΟΤ) των δομών. Βρέθηκε ότι οι δομές με Al2O3 και HfO2 εμφανίζουν χαμηλότερο πλήθος διεπιφανειακών καταστάσεων Dit σε σχέση με αυτό του ZrO2. Αν και τα υμένια Al2O3, συγκριτικά με αυτά του HfO2, έχουν τη χαμηλότερη τιμή της πυκνότητας διεπιφανειακών καταστάσεων, Dit, (3x1011 eV-1cm-2), εν τούτοις το ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (ΕΟΤ) που προκύπτει για αυτές τις δομές (~3nm) είναι απαγορευτικό για τεχνολογικές εφαρμογές. Αντιθέτως, τα υμένια HfO2, λόγω της πολύ μεγαλύτερης διηλεκτρικής τους σταθεράς, δίνουν τη δυνατότητα παρασκευής δομών με EOT μικρότερο των 2nm. Επομένως, στην παρούσα Διατριβή, το HfO2 θεωρήθηκε ως το πλέον υποσχόμενο, για δομές MOS, υλικό.Με σκοπό τη βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών MOS, μελετήθηκε η επίδραση δύο διαφορετικών στρωμάτων αδρανοποίησης μεταξύ του υποστρώματος Ge και του HfO2. Ως στρώματα αδρανοποίησης, αναπτύχθηκαν υμένια GeO2 και Al2O3. Τα υμένια GeO2 αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της οξείδωσης των υποστρωμάτων Ge σε ψυχρό πλάσμα Ο2. Η παρασκευή των υμενίων GeO2 με αυτή τη μέθοδο, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά συστηματικά στη παρούσα Διατριβή και βρέθηκε να πλεονεκτεί, έναντι άλλων πολυπλοκότερων μεθόδων. Τo πάχος των αναπτυσσόμενων οξειδίων GeO2 εξαρτάται από το χρόνο έκθεσης των υποστρωμάτων στο πλάσμα Ο2. Επίσης το GeO2 παραμένει σταθερό με τη πάροδο του χρόνου τόσο κατά την έκθεση του σε ατμοσφαιρικές συνθήκες όσο και κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων HfO2. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό παρασκευάστηκαν δομές MOS της μορφής p-Ge/GeO2/HfO2/Au και p-Ge/Al2O3/HfO2/Au. Στη δομή p-Ge/3.2nm GeO2/3nm HfO2/Au, παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση της ηλεκτρικής απόκρισης, σε σύγκριση με δομές αναφοράς χωρίς στρώματα αδρανοποίησης. Η βελτίωση αυτή έγινε αισθητή μέσω της μείωσης των ρευμάτων διαρροής (έως και 4 τάξεις μεγέθους) και της ελάττωσης του πλήθους των διεπιφανειακών καταστάσεων (έως και μια τάξη μεγέθους), σε συνδυασμό με τη διατήρηση EOT κοντά στα 2nm. Επιπλέον, άριστη εικόνα παρουσιάζουν οι δομές p-Ge/0,5nm Al2O3/2nm HfO2/Au, όπου εμφανίζουν ΕΟΤ 1,35nm και πυκνότητα διεπιφανειακών καταστάσεων ~7x1010 eV-1cm-2 ,η οποία είναι η χαμηλότερη που έχει αναφερθεί για ανάλογες διατάξεις. Επίσης, προσδιορίσθηκε η ενεργειακή κατανομή των παγίδων μέσα στο ενεργειακό χάσμα του Γερμανίου.Συμπερασματικά, λόγω της καλής διεπιφάνειας Al2O3/Ge και της υψηλής τιμής της διηλεκτρικής σταθεράς του HfO2, είναι φανερό ότι η παρουσία του στρώματος αδρανοποίησης βελτιώνει σημαντικά την απόκριση αυτών των διατάξεων MOS μειώνοντας το πλήθους των διεπιφανειακών παγίδων και διατηρώντας ταυτόχρονα EOT μικρότερο των 2nm.