Ανάπτυξη και μελέτη των δομικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς για χρήση σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής

Abstract

Initially, the present dissertation deals with the preparation and characterization of metal-germanium junctions. The research on these metal-germanium junctions is mainly important for the two following reasons: firstly, because through this research, fundamental characteristics as the germanium charge neutrality level can be studied and secondly because these junctions can be used for the source and drain formation in germanium MOSFETs replacing the p-n junctions. Indeed, germanium p-n junctions present a big challenge because dopants in Ge present low solid solubility, incomplete activation and enhanced diffusion. The Schottky barrier height in metal/Ge contacts is only weakly dependent on the metal work function indicating strong Fermi- level pinning close to the Bardeen limit. The pinning factor S is about 0.05 and the charge neutrality level (CNL) is only about 0.09 eV above the top of the valence band. Because of this, the Fermi level lies higher than CNL in most cases of interest so that unpassivated acceptor-like gap states at the interface are easily filled, building-up a net negative fixed charge. This could prevent efficient inversion of a p-type Ge surface in a metal-oxide-semiconductor structure. Moreover, this dissertation deals with the modelling of negatively charged states of germanium surfaces and interfaces. This modelling is useful for the understanding of various problems which relate with the observed poor performance of Ge n-MOSFETs (despite of the improvement in germanium surface passivation) and the observed undesired positive threshold voltage shift of Ge p-MOSFETs (this voltage is expected to be negative). Modeling based on surface charge neutrality predicts that the Ge surface tends to be p-type, irrespective of the bulk conductivity. This is a consequence of the fact that the Ge band gap is small and the charge neutrality level lies low in the gap very close to the valence band, probably determined by low-lying, unpassivated surface dangling bond acceptors or other defects. According to the model, the acceptor defects build negative charge, inverting the surface of n-type Ge at no gate bias for low doping concentration (<10¹⁶ cm⁻³) and moderate or high interface state densities (>5x10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²). This is predicted to cause undesired positive threshold voltage shift in the range of 0.2 to 0.4 V in Ge p- channel field effect transistors. The model also predicts that inversion in n-channel field effect transistors is inhibited, which could be related to the observed poor performance of these devices. Finally, this dissertation deals with the ZrO₂/GeO₂/Ge structure preparation and characterization. Finding an oxide with high dielectric constant along with desirable insulating characteristics (leakage current Jg~1.2x10³ A/cm²) is necessary requirement so as the success criteria of the ITRS specifications for the 22 nm node can be satisfied. Electrical data on ZrO₂/GeO₂ stacks prepared by atomic oxygen beam deposition on Ge at 225°C reveal a relatively weak dependence of the stack equivalent oxide thickness upon the ZrO₂ thickness. This trend points to a very high zirconia dielectric permittivity (k) value which is estimated to be around 44. This is indicative of zirconia crystallization into a tetragonal phase which is also supported by x-ray diffraction data. X-ray photoelectron spectroscopy analysis is in line with the assumption that, due to a finite GeO₂ decomposition, Ge is incorporated into the growing ZrO₂, thus, stabilizing the high-k tetragonal phase. Tetragonal ZrO₂ can be produced, also, with the Ge atoms incorporation during the ZrO₂ growth without being obligatory the GeO₂ existence. A Ge atom percentage of ~6% along with growth temperature of 225°C stabilizes optimum the ZrO₂ tetragonal phase. The stabilization of the ZrO₂ tetragonal phase has two advantages: firstly, low EOT values (because of the high dielectric constant) and secondly, very low leakage currents (high energy gap) which is very important if someone takes into account that the oxide energy gap reduces with the increase of the oxide dielectric constant.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται αρχικά την παρασκευή και το χαρακτηρισμό των επαφών μετάλλου-γερμανίου. Η έρευνα πάνω στις επαφές μετάλλου-γερμανίου είναι σημαντική για τους εξής δύο λόγους: πρώτον, γιατί μέσα από τις επαφές αυτές μπορούν να μελετηθούν θεμελιώδη χαρακτηριστικά της επιφάνειας του γερμανίου όπως το επίπεδο ουδετερότητας φορτίου CNL και δεύτερον γιατί οι επαφές αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία των περιοχών της πηγής και του απαγωγού στα MOSFETs γερμανίου αντικαθιστώντας τις επαφές p-n. Πράγματι, οι επαφές p-n γερμανίου παρουσιάζουν κάποια προβλήματα τα οποία σχετίζονται με τη μικρή διαλυτότητα και την αυξημένη διάχυση των προσμίξεων στο γερμάνιο. Ο φραγμός δυναμικού των επαφών μετάλλου-γερμανίου παρουσιάζει ασθενή εξάρτηση από το έργο εξόδου του μετάλλου δείχνοντας ισχυρό “κάρφωμα” του επιπέδου Fermi (Fermi Level Pinning) κοντά στο όριο του Bardeen. Ο παράγοντας εντοπισμού S (Pinning Factor) ισούται με 0.05 και το επίπεδο oυδετερότητας φορτίου (Charge Neutrality Level: CNL) βρίσκεται μόνο 0.09 eV πάνω από το άκρο της ζώνης σθένους. Εξαιτίας αυτού, το επίπεδο Fermi στο γερμάνιο βρίσκεται υψηλότερα από το CNL στις περισσότερες περιπτώσεις ενδιαφέροντος με αποτέλεσμα να γεμίζουν εύκολα οι μη απενεργοποιημένες καταστάσεις αποδεκτών του ενεργειακού χάσματος στη διεπιφάνεια, δημιουργώντας ένα καθαρό αρνητικό φορτίο. Αυτό θα μπορούσε να αποτρέψει την αποτελεσματική αναστροφή μιας p-τύπου επιφάνειας γερμανίου σε μια δομή μέταλλο-οξείδιο-ημιαγωγός. Επίσης, η διατριβή αυτή πραγματεύεται την προτυποποίηση των αρνητικά φορτισμένων καταστάσεων της επιφάνειας και των διεπιφανειών του γερμανίου. Η μοντελοποίηση αυτή είναι αναγκαία για την κατανόηση διαφόρων προβλημάτων που σχετίζονται με τη δυσλειτουργία των nMOSFETs γερμανίου (παρά τη βελτίωση στην απενεργοποίηση των παγίδων της επιφάνειας του ημιαγωγού) και τη μετατόπιση της τάσης κατωφλιού προς θετικές τιμές στα pMOSFETs γερμανίου (η τάση αυτή αναμένεται να είναι αρνητική). Μοντελοποίηση βασισμένη στο CNL της επιφάνειας προβλέπει ότι η επιφάνεια του γερμανίου τείνει να είναι p-τύπου, ασχέτως της αγωγιμότητας του bulk γερμανίου. Αυτό είναι συνέπεια του γεγονότος ότι το ενεργειακό χάσμα του γερμανίου είναι μικρό και το CNL βρίσκεται πολύ κοντά στη ζώνη σθένους, πιθανώς εξαιτίας μη απενεργοποιημένων ακόρεστων δεσμών ή άλλων ατελειών της επιφάνειας. Σύμφωνα με το μοντέλο, οι μη απενεργοποιημένες καταστάσεις αποδεκτών δημιουργούν αρνητικό φορτίο, αναστρέφοντας την επιφάνεια του n-τύπου γερμανίου σε μηδενική πόλωση για μικρές συγκεντρώσεις (<10¹⁶ cm⁻³) και μέτριες έως μεγάλες πυκνότητες διεπιφανειακών καταστάσεων (>5x10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²). Αυτό δημιουργεί ανεπιθύμητη μετατόπιση της τάσης κατωφλιού προς θετικές τιμές της τάξης 0.2-0.4 V στα pMOSFETs γερμανίου. Το μοντέλο αυτό προβλέπει επίσης ότι εμποδίζεται η αναστροφή στα nMOSFETs γερμανίου, γεγονός το οποίο θα μπορούσε να σχετιστεί με την μη ικανοποιητική επίδοση αυτών των διατάξεων. Τέλος, η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παρασκευή και το χαρακτηρισμό δομών ZrO₂/GeO₂/Ge. Η εύρεση ενός οξειδίου μεγάλης διηλεκτρικής σταθεράς για την απόκτηση πολύ μικρών τιμών EOT (ΕΟΤ ~9-10 Å) με καλά μονωτικά χαρακτηριστικά (ρεύμα διαρροής Jg~1.2x10³ A/cm²) είναι αναγκαία προϋπόθεση ώστε να ικανοποιηθούν τα κριτήρια επιτυχίας τα οποία θέτει η ITRS για τον τεχνολογικό κόμβο των 22nm. Ηλεκτρικές μετρήσεις σε δομές ZrO₂/GeO₂/Ge παρασκευασμένες με τη μέθοδο της επιταξίας μοριακών δεσμών (Molecular Beam Epitaxy:MBE) στους 225°C φανερώνουν ασθενή εξάρτηση του ισοδύναμου πάχους οξειδίου (Equivalent Oxide Thickness: EOT) της δομής από το πάχος του ZrO₂. Αυτό υποδεικνύει ότι το ZrO₂ παρουσιάζει πολύ μεγάλη διηλεκτρική σταθερά k η οποία υπολογίζεται ~44. Αυτή η τιμή είναι χαρακτηριστική της κρυστάλλωσης του ZrO₂ στην τετραγωνική φάση η οποία διαπιστώνεται με μετρήσεις XRD και GIXRD. Μετρήσεις XPS αποδεικνύουν ότι εξαιτίας της πεπερασμένης αποσύνθεσης του GeO₂, άτομα γερμανίου ενσωματώνονται στο αναπτυσσόμενο ZrO₂, σταθεροποιώντας την τετραγωνική του φάση. Η τετραγωνική φάση του ZrO₂ μπορεί να αποκτηθεί με την εξάχνωση και την ενσωμάτωση ατόμων γερμανίου κατά την ανάπτυξη του ZrO₂ χωρίς να είναι αναγκαστική η ύπαρξη του GeO₂. Ένα ποσοστό ατόμων γερμανίου ~6% σε θερμοκρασία ανάπτυξης 225°C σταθεροποιεί βέλτιστα την τετραγωνική φάση του ZrO₂. Με τη σταθεροποίηση της τετραγωνικής φάσης του ZrO₂ επιτυγχάνονται δύο πράγματα: πρώτον, πολύ μικρές τιμές του EOT (λόγω της μεγάλης του διηλεκτρικής σταθεράς) και δεύτερον πολύ μικρά ρεύματα διαρροής (μεγάλο ενεργειακό χάσμα) πράγμα το οποίο είναι σημαντικό αν σκεφτεί κανείς ότι το ενεργειακό χάσμα των οξειδίων μειώνεται καθώς η διηλεκτρική τους σταθερά μεγαλώνει.