AI/Anodik SİO2/Sİ (MOS) yapıların elektriksel özellikleri üzerine ısısal tavlama, akım yoğunluğu ve elektrolit pH'ının etkileri /
Yazar: MUSTAFA SAĞLAM
Danışman: DOÇ.DR. ABDÜLMECİT TÜRÜT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1994
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Akım yoğunluğu = Current density ; Oksitlenme = Oxidation ; Tavlama sıcaklığı = Annealing temperature

Özet:
Bu çalışmada, [100] doğrultulu, 15-25 ohm-cm özdirençli ve 500 um kalınhkh p-tipi silisyum kristali toplanılarak 0,1 M KOH elektrolitinde anodik oksidasyon metoduyla Al/Anodik SİO2/Sİ MOS yapısı elde edildi. Oksidasyon işlemi dört farklı pH(=5; 6; 7 ve 8) değerinde ve herbir pH değerine karşılık üç farklı akım yoğunluğunda (J=3; 5 ve 7 mA/cm2) veya üç farklı akım yoğunluğunda ve her bir akım yoğunluğuna karşılık dört farklı pH 'da yapıldı. Anodik oksidasyon işlemi sonucunda farklı kalınlıklı homojen oksitler elde edildi. Al/Anodik Si02/Si MOS yapısının C-VG karakteristikleri, oda sıcaklığında ve f=50 kHz 'de alındı. C-VG karatoeristMerinin hepsinde, oksit içerisindeki sabit pozitif yükten dolayı deneysel eğrilerin negatif gerilimlere doğru kaydığı görüldü (ideal C-VG eğrilerine göre). Bu kaymadan yararlanarak, oksit içindeki sabit pozitif yük yoğunluğu AQox, Si-Si02 arayüzeyinde oluşan toplam yük yoğunluğu AQeff, arayüzey yük yoğunluğu AQSS, düz bant histeresis yükü AQ^^ ve maksimum histeresis yük yoğunluğu AO^m^ değerleri hesaplandı. Yine bütün C-VG İcarakteristiklerinde, elektronik veya iyonik karakterli histeresisler gözlendi. Oda sıcaklığında yüksek frekans (HF) C-VG ölçümleri alınan Al/Anodik Si02/Si MOS yapılar, daha sonra İO"5 Torr luk vakumda 500 °C 'de beş dakika bekletilerek tavlandı. Tavlanmış numunelerin tekrar HF C-VG ölçümleri, T=300 K ve f=50 kHz 'de alındı. Yine, deneysel HF C-VG eğrilerinin ideal C-VG eğrilerine göre negatif gerilimlere doğru kaydığı görüldü ve bu kaymadan yararlanarak AQ0X, AQeff, AQSS, AQu^^ ve ^QlfisMAX değerleri hesplandı. Tavlamadan sonra bazı numunelerde histeresis tiplerinin değiştiği gözlendi. Yine tavlamadan sonra AQ0X, AQeff, ve AQSS yük değerlerinin azaldığı gözlendi. Bu yük miktarlaraıdaki azalma, tavlama etkisiyle Si- Si02 arayüzeyündeki doymamış bağların bir kısrmmrı ortadan kalkmasına atfedildi. Bütün numunelerde, tavlamadan önce ve sonra, arayüzey hal yoğunlukları silisyumun yasak enerji bant aralığına göre hesaplandı. Hesaplanan arayüzey hal yoğunluk (veya enerji) dağılım eğrileri hem pH (pH=5 'de J=3; 5 ve 7 mA/cm2 gibi) hem de akım yoğunluğuna göre (J=3 mA/cm2 'de pH=5; 6; 7 ve 8 gibi) grupkndırılarak değerlendirilmesi yapıldı. Bunun neticesinde, tavlamanın MOS yapılar üzerindeki 11 iyileştirici etkisi açık bir şekilde gözlendi. Akım yoğunluğunun arayüzey parametreleri üzerinde fazla bir etkisinin olmadığı, ancak pH değerlerinin etkili olduğu sonucuna varıldı. Ayrıca, Al/Anodik SiO^Si MOS yapıların HF C-VG ve arayüzey hal dağılım karakteristikleri, anodik oksidasyonda kullanılan silisyumla aynı özelliklere (doğrultu, tip, kalınlık ve taşıyıcı yoğunluğu) sahip olan silisyumdan yapılan Al/Termal SİO2/Sİ MOS 'un HF C-VG ve arayüzey hal dağılım karakteristikleriyle karşılaştırıldı. Bunun sonucunda, tavlamadan önceki anodik MOS yapıların arayüzey hal yoğunluk eğrilerinin hem biçim hem de yoğunluk mertebesi bakımından Termal MOS 'un dağılım eğrilerine yakın bir şekilde benzediği görüldü. Fakat tavlamadan sonra, anodik MOS yapılarda arayüzey hal yoğunluğu termal MOS yapılara göre daha düşük değerli dağılım eğrisi verdi. Aynı zamanda, HF C-VG ve arayüzey hal dağılım eğrilerinin hem biçim hem de mertebe olarak başka araştırmacılar tarafından verilen sonuçlarla uyum içinde olduğu görüldü.

Abstract:
p-type silicon crystal with [100] direction, 15-25 ohm-cm resistivity and 500 um thickness was used in our study and Al/Anodic SİO2/Sİ MOS structure was obtained by using anodic oxidation method in 0. 1 M KOH electrolyte. Oxidation process was made at four different values of pH the electrolyte (=5; 6; 7 and 8) and in three different current density (J=3; 5 and 7 mA/cm2) in return for each of pH value or in four different values of the electrolyte pH in return for each current density. In result of anodic oxidation process, homogenous oxides with different thickness was obtained. C-Vq characteristics of Al/Anodic SiCtySi MOS structures were measured at room temperature and f=50 kHz. It was seen that the experimental C-Vq curves shifted to more negative values of gate bias in respect to ideal C-Vq curves owing to fixed positive charge in oxide. Values of fixed positive charge density in oxide, AQox, total charge density in the Si-Si02 interface AQeff, interface charge density AQSS, flat band histeresis charge density AQjjjspb and maximum histeresis charge density AQ^^^x were calculated by means of this shifts of C-Vq curves. Electronic or ionic type of the histeresis were observed in the whole C-Vq characteristics. These Al/Anodic SİO2/Sİ MOS structures whose high frequency (HF) C-Vq measurements were made at room temperature were annealed in vacuum of 10"5 Torr at 500 °C for five minutes. Again, HF C-Vq measurements of the annealed samples were made at T=300 K and f=50 kHz. It was seen that the experimental C-Vq curves of the annealed samples shifted to the negative values of gate bias and by benefiting from this shifts, the values after annealing of AQ0X, AQefg AQSS, AQ^^ and ^OhîsSsAAK were calculated for these samples. After annealing, it was observed that the types of histeresis changed. After annealing, it was observed that the values of AQox, AQeff, AQSS were reduced. This decrease in amount of charges was attributed to that a part of dangling bonds in Si-Si02 interface were disappeared by annealing effect. Before and after annealing the interface state densities according to forbidden band gap of silicon were calculated for all of the samples. Then, the interface state density distribution curves according to pH (same as J=3; 5 and 7 mA/cm2 at pH=5) and current density IV (same as pH=5; 6; 7 and 8 at J=3 mA/cm2) were drawn and classified. Consequently, discussion of these was made and it was clearly observed that annealing at 500 °C in vacuum improves MOS characteristics and current density has negligibly less effect on these characteristics. But, the parameters of MOS structures were seen to be very satisfactory for especially samples with pH=7. In addition, HF C-Vq and the interface state density distributions characteristics of Al/Anodic SİO2/Sİ MOS structures were compared with those of Al/Thermal SİO2/Sİ MOS structures. Silicon used in anodic and thermal processes has the same properties (orientation, type, thickness and free carrier concentration). Before annealing, the shape of the density distribution curves and the density values of interface states of anodic MOS structures were nearly seen to be the same as those of thermal MOS. But, after annealing, the interface state density in anodic MOS structures gave lower values than those of thermal MOS structure. At the same time, HF C-Vq and the interface state distribution curves were observed to be in agreement with the results of other authors.