Ανάπτυξη και μελέτη των δομικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς για χρήση σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής
Authors: Τσίπας Πολυχρόνης 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται αρχικά την παρασκευή και το χαρακτηρισμό των επαφών μετάλλου-γερμανίου. Η έρευνα πάνω στις επαφές μετάλλου-γερμανίου είναι σημαντική για τους εξής δύο λόγους: πρώτον, γιατί μέσα από τις επαφές αυτές μπορούν να μελετηθούν θεμελιώδη χαρακτηριστικά της επιφάνειας του γερμανίου όπως το επίπεδο ουδετερότητας φορτίου CNL και δεύτερον γιατί οι επαφές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία των περιοχών της πηγής και του απαγωγού στα MOSFETs γερμανίου αντικαθιστώντας τις επαφές p-n. Πράγματι, οι επαφές p-n γερμανίου παρουσιάζουν κάποια προβλήματα τα οποία σχετίζονται με τη μικρή διαλυτότητα και την αυξημένη διάχυση των προσμίξεων στο γερμάνιο. Ο φραγμός δυναμικού των επαφών μετάλλου-γερμανίου παρουσιάζει ασθενή εξάρτηση από το έργο εξόδου του μετάλλου δείχνοντας ισχυρό “κάρφωμα” του επιπέδου Fermi (Fermi Level Pinning) κοντά στο όριο του Bardeen. Ο παράγοντας εντοπισμού S (Pinning Factor) ισούται με 0.05 και το επίπεδο oυδετερότητας φορτίου (Charge Neutrality Level: CNL) βρίσκεται μόνο 0.09 eV πάνω από το άκρο της ζώνης σθένους. Εξαιτίας αυτού, το επίπεδο Fermi στο γερμάνιο βρίσκεται υψηλότερα από το CNL στις περισσότερες περιπτώσεις ενδιαφέροντος με αποτέλεσμα να γεμίζουν εύκολα οι μη απενεργοποιημένες καταστάσεις αποδεκτών του ενεργειακού χάσματος στη διεπιφάνεια, δημιουργώντας ένα καθαρό αρνητικό φορτίο. Αυτό θα μπορούσε να αποτρέψει την αποτελεσματική αναστροφή μιας p-τύπου επιφάνειας γερμανίου σε μια δομή μέταλλο-οξείδιο-ημιαγωγός. Επίσης, η διατριβή αυτή πραγματεύεται την προτυποποίηση των αρνητικά φορτισμένων καταστάσεων της επιφάνειας και των διεπιφανειών του γερμανίου. Η μοντελοποίηση αυτή είναι αναγκαία για την κατανόηση διαφόρων προβλημάτων που σχετίζονται με τη δυσλειτουργία των nMOSFETs γερμανίου (παρά τη βελτίωση στην απενεργοποίηση των παγίδων της επιφάνειας του ημιαγωγού) και τη μετατόπιση της τάσης κατωφλιού προς θετικές τιμές στα pMOSFETs γερμανίου (η τάση αυτή αναμένεται να είναι αρνητική). Μοντελοποίηση βασισμένη στο CNL της επιφάνειας προβλέπει ότι η επιφάνεια του γερμανίου τείνει να είναι p-τύπου, ασχέτως της αγωγιμότητας του bulk γερμανίου. Αυτό είναι συνέπεια του γεγονότος ότι το ενεργειακό χάσμα του γερμανίου είναι μικρό και το CNL βρίσκεται πολύ κοντά στη ζώνη σθένους, πιθανώς εξαιτίας μη απενεργοποιημένων ακόρεστων δεσμών ή άλλων ατελειών της επιφάνειας. Σύμφωνα με το μοντέλο, οι μη απενεργοποιημένες καταστάσεις αποδεκτών δημιουργούν αρνητικό φορτίο, αναστρέφοντας την επιφάνεια του n-τύπου γερμανίου σε μηδενική πόλωση για μικρές συγκεντρώσεις (<10¹⁶ cm⁻³) και μέτριες έως μεγάλες πυκνότητες διεπιφανειακών καταστάσεων (>5x10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²). Αυτό δημιουργεί ανεπιθύμητη μετατόπιση της τάσης κατωφλιού προς θετικές τιμές της τάξης 0.2-0.4 V στα pMOSFETs γερμανίου. Το μοντέλο αυτό προβλέπει επίσης ότι εμποδίζεται η αναστροφή στα nMOSFETs γερμανίου, γεγονός το οποίο θα μπορούσε να σχετιστεί με την μη ικανοποιητική επίδοση αυτών των διατάξεων. Τέλος, η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παρασκευή και το χαρακτηρισμό δομών ZrO₂/GeO₂/Ge. Η εύρεση ενός οξειδίου μεγάλης διηλεκτρικής σταθεράς για την απόκτηση πολύ μικρών τιμών EOT (ΕΟΤ ~9-10 Å) με καλά μονωτικά χαρακτηριστικά (ρεύμα διαρροής Jg~1.2x10³ A/cm²) είναι αναγκαία προϋπόθεση ώστε να ικανοποιηθούν τα κριτήρια επιτυχίας τα οποία θέτει η ITRS για τον τεχνολογικό κόμβο των 22nm. Ηλεκτρικές μετρήσεις σε δομές ZrO₂/GeO₂/Ge παρασκευασμένες με τη μέθοδο της επιταξίας μοριακών δεσμών (Molecular Beam Epitaxy:MBE) στους 225°C φανερώνουν ασθενή εξάρτηση του ισοδύναμου πάχους οξειδίου (Equivalent Oxide Thickness: EOT) της δομής από το πάχος του ZrO₂. Αυτό υποδεικνύει ότι το ZrO₂ παρουσιάζει πολύ μεγάλη διηλεκτρική σταθερά k η οποία υπολογίζεται ~44. Αυτή η τιμή είναι χαρακτηριστική της κρυστάλλωσης του ZrO₂ στην τετραγωνική φάση η οποία διαπιστώνεται με μετρήσεις XRD και GIXRD. Μετρήσεις XPS αποδεικνύουν ότι εξαιτίας της πεπερασμένης αποσύνθεσης του GeO₂, άτομα γερμανίου ενσωματώνονται στο αναπτυσσόμενο ZrO₂, σταθεροποιώντας την τετραγωνική του φάση. Η τετραγωνική φάση του ZrO₂ μπορεί να αποκτηθεί με την εξάχνωση και την ενσωμάτωση ατόμων γερμανίου κατά την ανάπτυξη του ZrO₂ χωρίς να είναι αναγκαστική η ύπαρξη του GeO₂. Ένα ποσοστό ατόμων γερμανίου ~6% σε θερμοκρασία ανάπτυξης 225°C σταθεροποιεί βέλτιστα την τετραγωνική φάση του ZrO₂. Με τη σταθεροποίηση της τετραγωνικής φάσης του ZrO₂ επιτυγχάνονται δύο πράγματα: πρώτον, πολύ μικρές τιμές του EOT (λόγω της μεγάλης του διηλεκτρικής σταθεράς) και δεύτερον πολύ μικρά ρεύματα διαρροής (μεγάλο ενεργειακό χάσμα) πράγμα το οποίο είναι σημαντικό αν σκεφτεί κανείς ότι το ενεργειακό χάσμα των οξειδίων μειώνεται καθώς η διηλεκτρική τους σταθερά μεγαλώνει.