Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς σε διατάξεις MOS p-Ge
Authors: Μποτζακάκη Μάρθα 
Published: August 2021

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.