Θέμα της παρούσας ερευνητικής εργασίας είναι η μελέτη διατάξεων MOS σε υπόστρωμα Ge τύπου –p. Ως διηλεκτρικό πύλης χρησιμοποιήθηκε Al2O3 και ως μέταλλο πύλης Pt. Τέτοιες διατάξεις οι οποίες αποτελούνται από υπόστρωμα Ge στο οποίο εναποτίθεται διηλεκτρικό υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectric) εμφανίζουν ιδιαίτερο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον για τους παρακάτω κυρίως λόγους: (i) Το Ge εμφανίζει υψηλότερη ευκινησία φορέων έναντι αυτής του Si. Eπομένως η χρήση υποστρωμάτων Ge στις διατάξεις MOS θεωρείται πλεονεκτική έναντι της χρήσης υποστρωμάτων Si, τα οποία μέχρι σήμερα έχουν μονοπωλήσει τις τεχνολογικές εφαρμογές και κατ’ επέκταση την έρευνα γύρω από αυτές. (ii) Η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, όπως το Al2O3, ως διηλεκτρικά πύλης φέρεται πλέον ως ιδιαίτερα ελπιδοφόρα για την μελλοντική κατασκευή λειτουργικών διατάξεων MOS. (iii) Πρόσφατες μελέτες έχουν αποδείξει ότι, κατά την ανάπτυξη Al2O3 στα υποστρώματα Ge, στη διεπιφάνεια Ge/Al2O3, δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του γερμανίου, το οποίο αποτελεί βασική προϋπόθεση για την κατασκευή λειτουργικών CMOS δομών.
Η ανάπτυξη των υμενίων Al2O3 στα υποστρώματα Ge έγινε με την τεχνική Eναπόθεσης Ατομικού Στρώματος (Atomic Layer Deposition- ALD), η οποία είναι μια από τις πιο διαδεδομένες και πολλά υποσχόμενες τεχνικές στον τομέα της Μικροηλεκτρονικής. Βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής έναντι άλλων μεθόδων εναπόθεσης (CVD, MBE κ.λπ.), είναι η άριστη ποιότητα και ομοιογένεια των αναπτυσσόμενων υμενίων, καθώς και ο απόλυτος έλεγχος του πάχους τους.
Στόχος της εργασίας αυτής, είναι η μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων δομών p-Ge/Al2O3/Pt, καθώς και της διεπιφάνειας Ge/Al2O3. Παρασκευάστηκαν δομές με πάχος διηλεκτρικού (Al2O3) 5nm, 10nm,15nm και 25nm σε θερμοκρασία εναπόθεσης 300oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έγινε με φασματοσκοπία XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), ενώ ο ηλεκτρικός τους χαρακτηρισμός έγινε με τη μέθοδο της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (Broadband Dielectric Spectroscopy-BDS) στην περιοχή συχνοτήτων από 100Ηz έως 1ΜΗz.
Τα αποτελέσματα της μελέτης του δομικού χαρακτηρισμού έδειξαν, ότι αυξανομένου του πάχους του υμενίου Al2O3, το πάχος του αναπτυσσόμενου Οξειδίου του Γερμανίου (GeOx) αυξάνεται. Παράλληλα υπάρχει ένδειξη πιθανής αλλαγής της στοιχειομετρίας του GeOx.
Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών αυτών, πραγματοποιήθηκε με παράμετρο αφενός μεν το πάχος του Al2O3 σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αφετέρου δε με παράμετρο τη θερμοκρασία, στην περιοχή θερμοκρασιών από 78Κ - 200Κ. Ελήφθησαν οι χαρακτηριστικές C-V και C-f, από τις οποίες προκύπτουν τα συμπεράσματα που αφορούν στην ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών αλλά και στην ποιότητα της διεπιφάνειας Ge / Al2O3. Σε όλες τις δομές, ανεξαρτήτως του πάχους του Al2O3, οι χαρακτηριστικές C-V παρουσιάζουν την τυπική συμπεριφορά της δομής MOS, με διάκριτες τις τρεις περιοχές συσσώρευσης, απογύμνωσης και αναστροφής φορέων. Οι χαρακτηριστικές C-V σε θερμοκρασία περιβάλλοντος παρουσίασαν, σε όλα τα πάχη, φαινόμενα γένεσης – επανασύνδεσης φορέων, τα οποία εμφανίζονται υπό τη μορφή “γονάτων” στην περιοχή απογύμνωσης/ασθενούς αναστροφής. Τα φαινόμενα αυτά συνδέονται άμεσα με το μικρό ενεργειακό χάσμα του Ge και το μεγάλο πλήθος ενδογενών φορέων αγωγιμότητας που χαρακτηρίζει το Ge στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτά τα φαινόμενα δεν παρατηρούνται στις χαμηλές θερμοκρασίες.
Επιπλέον, από τις μετρήσεις C-f και εφαρμόζοντας τη μεθόδου αγωγιμότητας (conductance method), η οποία εφαρμόστηκε σε όλες τις θερμοκρασίες, προέκυψαν οι τιμές της πυκνότητας των διεπιφανειακών καταστάσεων, Dit’s, των δομών αυτών. Από τα αποτελέσματα αυτά, προκύπτει το συμπέρασμα ότι οι τιμές των Dit’s στη θερμοκρασία περιβάλλοντος εμφανίζονται αυξημένες σε σχέση με τις αντίστοιχες στις χαμηλές θερμοκρασίες. Η υπερεκτίμηση αυτή, η οποία μπορεί να φτάσει και τις 2 τάξεις μεγέθους, οφείλεται στην εμφάνιση των “γονάτων” στη χαρακτηριστική C-V. Επομένως το πραγματικό πλήθος των διεπιφανειακών καταστάσεων υπολογίζεται από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων στις χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, προκύπτει το συμπέρασμα ότι, η πυκνότητα διεπιφανειακών καταστάσεων, Dit’s στις δομές με το μικρότερο πάχος είναι μικρότερη από την αντίστοιχη σε παχύτερες δομές. Η συμπεριφορά αυτή έρχεται σε αντίθεση με την αναμενόμενη και η ερμηνεία της, πιθανώς να συνδέεται με τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας XPS σύμφωνα με τα οποία, αυξανομένου του πάχους του Al2O3, υπάρχουν ενδείξεις μεταβολής της στοιχειομετρίας του Οξειδίου του Γερμανίου. / The subject of the present research work is the study of MOS structures on p- type Ge substrates. Al2O3 was used as gate dielectric and Pt as metal gate. Such devices, which are comprised by Ge substrate on which a high -k dielectric material is deposited, are of high scientific and technological interest for the following reasons: (i) Ge shows higher carrier mobility compared to that of Si. Therefore, the use of Ge substrates in MOS devices is considered advantageous compared to Si substrates, which up to date have been used exclusively for technological applications. (ii) The use of high -k materials seems to be more promising for the construction of functional MOS structures. (iii) Recent results have shown that a thin layer of Ge oxide builds up at the Ge/Al2O3 interface during the deposition of Al2O3 on Ge. This is a basic requirement for the operation of CMOS devises.
In the current work, Al2O3 films were deposited on Ge substrates by Atomic Layer Deposition (ALD). ALD is one of the most widespread and very promising techniques in microelectronics. Basic advantages of this method, compared to other deposition techniques (e.g. CVD, MBE and others), are the quality and homogeneity of the films as well as the absolute control of their thickness.
The purpose of the present work is the study of the electrical properties of Ge/ Al2O3 /Pt structures as well as of the quality of the Ge/ Al2O3 interface. Structures with Al2O3 thickness of 5 nm, 10 nm, 15 nm and 25 nm were prepared, at deposition temperature of 3000C. The structural characterization of the samples was performed by means of X-Ray Photoelectron Spectroscopy –XPS whereas the electrical characterization was performed with the Broadband Dielectric Spectroscopy- BDS in the frequency range from 100 Hz to 1 MHz.
The XPS results suggest that the thickness of the Ge oxide (GeOx), grown during deposition, increases by increasing the thickness of the deposited Al2O3 films. Furthermore, there is evidence of possible change in the stoichiometry of GeOx.
The electrical behaviour of these structures was determined using as parameters either the thickness of Al2O3 at room temperature or the temperature at constant thickness. Measurements were performed in the range of 78 oC to 200 oC. C-V and C-f characteristics were constructed, from which conclusions are drawn regarding the electrical behaviour of the structures and the quality of the interface Ge/ Al2O3. The C-V characteristics of all samples, show the typical behaviour of a MOS structure with the three distinct regions of accumulation, depletion and inversion, regardless the thickness of Al2O3. The C-V characteristics at room temperature show generation-recombination phenomena, which are demonstrated through “humps” in depletion / weak inversion regime. These phenomena are intimately connected with the small energy gap and the large density of intrinsic conductivity carriers of Ge. These “humps” do not appear at low temperatures, below 170K, indicating that “generation-recombination” phenomena have been suppressed by reducing temperatures.
Furthermore, from C-f measurements the values of the interfacial trap density (Dit) were determined through the conductance method, in all temperatures. The Dit values at room temperature seem to be overestimated compared to those at low temperatures due to the “generation- recombination” phenomena. Therefore, the actual density of interfacial traps is determined from the analysis at low temperatures. Furthermore, the Dit values of the Al2O3 -10nm structure are lower compared to those of the Al2O3 -25nm structure. This behavior, which is in contradiction to the expected one, is connected with the XPS results, according to which there is evidence of change in the stoichiometry of Ge oxide as the thickness of Al2O3 is increased.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/5098 |
| Date | 14 February 2012 |
| Creators | Μποτζακάκη, Μάρθα |
| Contributors | Γεωργά, Σταυρούλα, Botzakaki, Martha, Γεωργά, Σταυρούλα, Κροντηράς, Χριστόφορος, Σκαρλάτος, Δημήτριος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0037 seconds