Reliability issues and electrical characteristics of rare-earth oxides and their gate stacks grown on germanium substrates

Abstract

Germanium as a replacement for Silicon in metal-oxide-semiconductor (MOS) devices, offers a higher electron (2x) and hole (4x) mobility than silicon. A Ge channel MOS technology has been expected to be implemented into future high-speed Si platform, because of the enhanced carrier transport. The critical performance characteristics of (MOS) capacitors and transistors are determined by the interface between the high-κ materials and Ge. The poor quality of the native oxide (GeO2) however hampered the use of this material in large scale production. One potential solution is the use of Rare-earth oxides (REOs) such as CeO2, La2O3, Dy2O3, Gd2O3, which can be directly deposited on Germanium substrates. They form strongly interacting interfaces, producing spontaneously (during deposition) an interfacial layer which contains oxidized Ge with improved electrical characteristics. The reliability characteristics of these MOS devices on Germanium substrates are of important concerns and the main subject of the present work. Charge trapping is a major reliability concern in most of the high-k material devices. During high field injection of electrons into the oxide layer, microscopic defects like neutral electron traps, and interface states are generated in the dielectric/semiconductor system. The neutral electron traps generated during high field stress can act as a stepping stone for the injected electron at a low voltage, giving rise to a stress-induced leakage current (SILC). The increased importance of the stress-induced leakage current (SILC) in ULSI low-power and non-volatile memory applications has long been recognized. SILC has been described by a process of trap-assisted tunneling through stress generated oxide traps in Si/SiO2 MOS devices. The experimental measurement of the trap energy distribution represents therefore a primary concern in order to quantitatively understand the SILC process. Although the transient SILC current has been shown to provide useful information about the oxide trap distribution, a careful analysis of the transient processes, is still lacking. Another important issue is current instabilities due to charge accumulation at the interface of any two dielectrics, that is, gate stack bilayer itself causes charge trapping, sometimes also demonstrate dielectric relaxation, and these combined effects are termed Maxwell-Wagner - Instabilities. The present work comprises of six (6) chapters, chapter # 1 dealing with the theoretical background and chapter # 2 with the Experimental part. In chapter # 3 the effects of charge trapping, SILC, and border traps in CeO2 films grown on Ge substrates are investigated, where the subsequent analysis proves that charge trapping characteristics and SILC show voltage dependence behaviour. It is also shown that at low stress field charge trapping is the dominant mechanism while at higher stress field SILC prevails over charge trapping characteristics. Both mechanisms can be explained by a model, which was originally developed for the Si/SiO2 system. We also develop a model to explain the charge trapping characteristics at different stress fields. In chapter # 4 the current conduction mechanisms in CeO2 thin films are reported which are governed by Schottky emission at low fields that turn to Poole-Frenkel conduction at higher fields. In chapter # 5-6 the Stress-induced leakage current (SILC), Charge trapping and Dielectric relaxation effects in HfO2/Dy2O2 gate stacks are discussed. At low field the SILC effect is negligible while at higher fields it follows a power law. A pertinent finding from this system is that it shows Maxwell-Wagner instability. The MOS devices show initially dielectric relaxation effects followed by charge trapping that finally reaches dielectric breakdown. As a matter of fact, the gate stack itself is the cause of charge trapping.

Η παρούσα Διατριβή εξετάζει θέματα αξιοπιστίας και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Οξειδίων Σπάνιων Γαιών και αντίστοιχων στοιβών διηλεκτρικών, ανεπτυγμένων πάνω σε υποστρώματα Γερμανίου. Το Γερμάνιο, σε αντικατάσταση του Πυριτίου προσφέρει μεγαλύτερη ευκινησία ηλεκτρονίων (2x) και οπών (4x) στα αντίστοιχα κανάλια τρανζίστορ τύπου MOSFET. Μελλοντικά, η τεχνολογία MOS, με κανάλι Γερμανίου αναμένεται να εφαρμοσθεί σε πλατφόρμες Πυριτίου, λόγω της βελτιωμένης ταχύτητας φορέων. Τα κρίσιμα χαρακτηριστικά επίδοσης των (MOS) πυκνωτών και τρανζίστορ καθορίζονται από τη διεπαφή των υλικών high-κ και του Γερμανίου. Η φτωχή ποιότητα του ενδογενούς οξειδίου (GeO2) παρεμπόδισε τη χρήση των υλικών αυτών σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Τα Οξείδια Σπάνιων Γαιών (REOs) όπως τα CeO2, La2O3, Dy2O3, Gd2O3 μπορούν να εναποτεθούν άμεσα σε υποστρώματα Γερμανίου. Αλληλεπιδορύν έντονα με το υπόστρωμα, παράγοντας αυθόρμητα (κατά την εναπόθεση) ένα διεπιφανειακό στρώμα το οποίο περιέχει οξειδωμένο Γερμάνιο με βελτιωμένα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Τα χαρακτηριστικά αξιοπιστίας αυτών των MOS σε υπόστρωμα Γερμανίου έχουν ιδιαίτερη σημασία και αποτελούν το κύριο θέμα της παρούσας διατριβής . Η παγίδευση φορτίων αποτελεί μείζονα παράγοντα αναφορικά με την αξιοπιστία στις περισσότερες αστάθειες των διατάξεων υλικών high-k. Κατά την υψηλού πεδίου έγχυση σήραγγας ηλεκτρονίων στο στρώμα του οξειδίου, δημιουργούνται στο σύστημα διηλεκτρικού/ημιαγωγού μικροσκοπικά ελαττώματα όπως οι φυσικές παγίδες ηλεκτρονίων, η παγίδευση φορτίου και οι καταστάσεις διεπαφής. Οι φυσικές παγίδες ηλεκτρονίων που δημιουργούνται κατά την καταπόνηση υψηλού πεδίου μπορούν να προκαλέσουν την έγχυση ηλεκτρονίων σε χαμηλές τάσεις, προκαλώντας ρεύμα διαρροής stress-induced leakage current (SILC). Η αυξημένη σημασία του ρεύματος διαρροής stress-induced leakage current (SILC) στα χαμηλής ισχύος ULSI και στις μη πτητικές εφαρμογές μνήμης έχει αναγνωρισθεί εδώ και καιρό. Το SILC περιγράφεται από μια διαδικασία σήραγγας υποβοηθούμενης από παγίδες (TAT) μέσω των παγίδων οξειδίου που παράγονται από την καταπόνηση. Η πειραματική μέτρηση της ενεργειακής κατανομής των παγίδων αποτελεί κύριο μέλημα προκειμένου να κατανοηθεί ποσοτικά η διαδικασία SILC. Παρά το γεγονός ότι το transient SILC ρεύμα παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για την κατανομή των παγίδων οξειδίου, απουσιάζει μια προσεκτική ανάλυση της μεταβατικής διαδικασίας, λαμβάνοντας υπόψη και φαινόμενα σήραγγας ηλεκτρονίων και οπών. Άλλο ένα σημαντικό στοιχείο αποτελούν οι αστάθειες λόγω της συγκέντρωσης φορτίων στη διεπαφή των δυο διηλεκτρικών. Πράγματι, το gate stack bilayer προκαλεί παγίδευση φορτίων, ενώ ορισμένες φορές επιδεικνύει και διηλεκτρική χαλάρωση και το συνδυασμένο αυτό φαινόμενο ονομάζεται Maxwell-Wagner - Instabilities.