Apresentamos neste trabalho um estudo do efeito da depleção do silício policristalino e da corrente de tunelamento em dispositivos com óxidos de porta finos. Utilizamos curvas características da capacitância em função da tensão de porta (C-V), para analisar a degradação causada por estes efeitos.Quanto ao efeito da depleção do silício policristalino a capacitância total na região de inversão apresenta uma redução conforme a concentração de dopantes do silício policristalino diminui. Este efeito foi observado em curvas C-V tanto de alta como de baixa freqüência, sendo esta última mais afetada. A corrente de tunelamento através do óxido de porta apresentou uma influência na largura da região de depleção no silício, que aumentou devido ao tunelamento de portadores do substrato. Como resultado, uma diminuição na capacitância do silício foi observada, fazendo a curva C-V diminuir na região de inversão. Quando considerado o efeito de depleção no silício policristalino junto com o efeito do tunelamento, observou-se que na região da porta houve um excesso de portadores, causando uma diminuição na região de depleção do silício policristalino. Neste caso a curva C-V sofreu uma maior redução, tornando-se difícil separar os dois efeitos. A curva C-V de baixa freqüência foi a mais atingida, pois como os portadores tem tempo de resposta, pode-se observar a influência da corrente de tunelamento nas cargas de inversão. Apresentamos ainda um novo método para a determinação da concentração de dopantes no substrato e no silício policristalino, através de curvas C-V de alta freqüência. Simulações numéricas bidimensionais e medidas experimentais foram utilizadas para validação do método. Os resultados obtidos indicam que o método proposto apresenta um grande potencial, tendo como principal vantagem a simplicidade de aplicação. / In this work we present the study of polysilicon depletion and the gate tunneling current effects in thin-gate oxide devices. Characteristic curves of capacitance as a function of the gate voltage (C-V) were used to analyze the degradation caused for these effects. Regarding the poly depletion effect, a reduction of the total capacitance in the inversion region was verified as the polysilicon doping concentration decreases. This effect was observed in C-V curves in high and low frequency, being the last one more affected. The gate tunneling current presented an influence on the width of the depletion silicon region, which increased due to the carriers tunneling from the substrate. As a result, a reduction in the silicon capacitance was observed, causing the C-V curve reduction in the inversion region. When the polysilicon depletion effect is considered together with the tunneling effect, it was observed that there is a carriers excess in the gate region, causing a reduction of the polysilicon depletion region width. In this case, the C-V curve suffered a larger reduction, making difficult to separate both effects. The most affected characteristic was the C-V curve at low frequency, due to existence of the carrier response time that allows observing the influence of the tunneling current in inversion charges. A new method for the determination of the doping concentration of substrate and polysilicon was also presented, through C-V curves at high frequency. Two-dimensional simulations and experimental measurements were used to validate the method. The obtained results indicate that the propose method present a higher potential, having as principal advantage the simplicity of application.

Studium transportu náboje v Ta2O5 oxidových nanovrstvách se zaměřuje především na objasnění vlivu defektů na vodivost těchto vrstev. Soustředíme se na studium oxidových nanovrstev Ta2O5 vytvořených pomocí anodické oxidace. Proces výroby Ta2O5 zahrnuje řadu parametrů, jež ovlivňují koncentraci defektů (oxidových vakancí) v této struktuře. Vrstva oxidu Ta2O5 o tloušťce 20 až 200 nm se často používá jako dielektrikum pro tantalové kondenzátory, které se staly nedílnou součástí elektrotechnického průmyslu. Kondenzátory s Ta2O5 dielektrickou vrstvou lze modelovat jako strukturu MIS (kov – izolant – polovodič). Anodu tvoří tantal s kovovou vodivostí, katodu potom MnO2 či vodivý polymer (CP), které jsou polovodiče. Hodnoty elektronových afinit, respektive výstupních prací, jednotlivých materiálů potom určují výšku potenciálových bariér vytvořených na rozhraních kov-izolant (M – I) a izolant-polovodič (I – S). Dominantní mechanizmy transportu náboje lze určit analýzou I-V charakteristiky zbytkového proudu. Dominantní mechanizmy transportu náboje izolační vrstvou jsou ohmický, Poole-Frenkelův, Shottkyho a tunelování. Uplatnění jednotlivých vodivostních mechanismů je závislé na teplotě a intenzitě elektrického pole v izolantu. Hodnota zbytkového proud je významným indikátorem kvality daného izolantu. Ten závisí na technologii výroby kondenzátoru, významně především na parametrech anodické oxidace a na materiálu katody. I-V charakteristiky zbytkového proudu se měří v normálním a reversním módu, tj. normální mód značí kladné napětí na anodě a reversní mód záporné napětí na anodě. I-V charakteristika je výrazně nesymetrická, a proto tyto kondenzátory musí být vhodně polarizovány. Nesymetrie I-V charakteristiky se snižuje s klesající teplotou, při teplotě pod 50 K a je možno některé kondenzátory používat jako bipolární součástky. Z analýzy I-V charakteristiky lze určit řadu parametrů, jako tloušťku izolační vrstvy a koncentraci defektů v izolační Ta2O5 vrstvě a dále lze odhadnout parametry MIS modelu kondenzátoru - stanovit hodnotu potenciálových bariér na rozhraních M – I a I – S. Měření C-V charakteristik při různých teplotách v rozsahu 10 až 300 K je využíto pro určení výšky potenciálové bariéry na rozhraní I – S, závislosti kapacity na teplotě a dále pro výpočet efektivní plochy elektrod. Z výbrusu vzorků na skenovacím elektronovém mikroskopu byly určeny tloušťky dielektrika Ta2O5 pro jednotlivé vyhodnocované řady kondenzátorů.

The low dimensions of the state-of-the-art nanoscale transistors exhibit increasing quantum mechanical effects, which are no longer negligible. Gate tunneling current is one of such effects, that is responsible for high power consumption and high working temperature in microprocessors. This in turn put limits on further down scaling of devices. Therefore modeling and calculation of tunneling current is of a great interest. This work provides a review of existing models for the calculation of the gate tunneling current in MOSFETs. The quantum mechanical effects are studied with a model, based on a self-consistent solution of the Schrödinger and Poisson equations within the effective mass approximation. The calculation of the tunneling current is focused on models based on the calculation of carrier’s lifetime on quasi-bound states (QBSs). A new method for the determination of carrier’s lifetime is suggested and then the tunneling current is calculated for different samples and compared to measurements. The model is also applied to the extraction of the “tunneling effective mass” of electrons in ultrathin oxynitride gate dielectrics. Ultrathin gate dielectrics (tox<2 nm) consist of only few atomic layers. Therefore, atomic scale deformations at interfaces and within the dielectric could have great influences on the performance of the dielectric layer and consequently on the tunneling current. On the other hand the specific material parameters would be changed due to atomic level deformations at interfaces. A combination of DFT and NEGF formalisms has been applied to the tunneling problem in the second part of this work. Such atomic level ab initio models take atomic level distortions automatically into account. An atomic scale model interface for the Si/SiO2 interface has been constructed and the tunneling currents through Si/SiO2/Si stack structures are calculated. The influence of single and double oxygen vacancies on the tunneling current is investigated. Atomic level distortions caused by a tensile or compression strains on SiO2 layer as well as their influence on the tunneling current are also investigated. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung von Tunnelströmen in MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors). Zu diesem Zweck wurde ein quantenmechanisches Modell, das auf der selbstkonsistenten Lösung der Schrödinger- und Poisson-Gleichungen basiert, entwickelt. Die Gleichungen sind im Rahmen der EMA gelöst worden. Die Lösung der Schrödinger-Gleichung unter offenen Randbedingungen führt zur Berechnung von Ladungsverteilung und Lebensdauer der Ladungsträger in den QBSs. Der Tunnelstrom wurde dann aus diesen Informationen ermittelt. Der Tunnelstrom wurde in verschiedenen Proben mit unterschiedlichen Oxynitrid Gatedielektrika berechnet und mit gemessenen Daten verglichen. Der Vergleich zeigte, dass die effektive Masse sich sowohl mit der Schichtdicke als auch mit dem Stickstoffgehalt ändert. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde ein atomistisches Modell zur Berechnung des Tunnelstroms verwendet, welche auf der DFT und NEGF basiert. Zuerst wurde ein atomistisches Modell für ein Si/SiO2-Schichtsystem konstruiert. Dann wurde der Tunnelstrom für verschiedene Si/SiO2/Si-Schichtsysteme berechnet. Das Modell ermöglicht die Untersuchung atom-skaliger Verzerrungen und ihren Einfluss auf den Tunnelstrom. Außerdem wurde der Einfluss einer einzelnen und zwei unterschiedlich positionierter neutraler Sauerstoffleerstellen auf den Tunnelstrom berechnet. Zug- und Druckspannungen auf SiO2 führen zur Deformationen in den chemischen Bindungen und ändern den Tunnelstrom. Auch solche Einflüsse sind anhand des atomistischen Modells berechnet worden.