ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ p-si / Ta 2 O 5 / Al

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ p-si / Ta 2 O 5 / Al ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπυρίδων Κορκός Επιβλέπων καθηγητής: Χριστόφορος Κροντηράς ΠΑΤΡΑ 2018

2 i Στην οικογένεια μου

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Π.Μ.Σ. Τμήματος Φυσικής Ειδίκευση: Φυσική των Υλικών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός δομών p-si / Ta2O5 / Al» Σπυρίδων Κορκός Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή Χριστόφορος Κροντηράς, Καθηγητής Τμ. Φυσικής, Παν. Πατρών (Επιβλέπων) Σταυρούλα Γεωργά, Καθηγήτρια Τμ. Φυσικής, Παν. Πατρών Στέλλα Κέννου, Καθηγήτρια Τμ. Χημικών Μηχανικών, Παν. Πατρών ΠΑΤΡΑ 2018 ii

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... vi ΠΕΡΙΛΗΨΗ... vii ABSTRACT... ix ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Η ΔΟΜΗ MOS 1.1 Η ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ TRANSISTOR MOSFET H EΠΑΦΗ ΜΟS ΙΔΑΝΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS ΙΔΑΝΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΑΣΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΙΔΑΝΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ MOS ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ MOS ΥΛΙΚΑ ΥΨΗΛΗΣ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ MOS ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΔΟΜΗΣ MOS ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΔΙΠΛΗΣ ΣΑΡΩΣΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ 2.1 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΩΝ iii

5 2.2 H TEXNIKH THΣ ENAΠΟΘΕΣΗΣ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ (ALD) ΧΑΡΑΚΤΗΡΣΤΙΚΑ Ta2O ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ ΜΟS ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΧΗΜΙΚΟΣ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ ΜΟS 3.1 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΑΠΟ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΥΜΕΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ XPS ΤΕΜ (Transmission Electron Microscopy) ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΥΜΕΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΕΜ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ p-si/ 20nm Ta2O5/ Al 4.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΛΗΨΗΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ C-V ΔΟΜΩΝ p-si / 20 nm Tα2Ο5 /Αl ΜΕ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΣΩ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ I-V ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΘΕΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ iv

6 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ v

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών από το Μάρτιο του 2017 έως το Φεβρουάριο του 2018 υπό την επίβλεψη του κ. Καθηγητή Χρ. Κροντηρά, τον οποία ευχαριστώ θερμά για την ανάθεση του θέματος και τη συνεχή παρακολούθηση και συμβολή του καθ όλη τη διάρκεια υλοποίησής της. Επίσης, θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στην κ. Καθηγήτρια Στ. Γεωργά για το χρόνο που αφιέρωσε παρακολουθώντας την εξέλιξη της εργασίας μου και τις χρήσιμες συμβουλές που μου έδωσε στην επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Επιπλέον, ευχαριστώ και το τρίτο μέλος της Τριμελούς Εξεταστικής Επιτροπής κ. Στ. Κέννου που δέχτηκε να είναι μέλος της εξεταστικής επιτροπής. Για την επεξεργασία των δειγμάτων μέσω της τεχνικής XPS θα ήθελα να ευχαριστήσω την κ. Καθηγήτρια Στ. Κέννου και τον κ. Καθηγητή Σ. Λαδά από το εργαστήριο Επιστήμης Επιφανειών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών. Τον Διευθυντή Ερευνών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος κ. Α. Τραυλό ευχαριστώ θερμά για τη λήψη εικόνων των δειγμάτων μέσω της τεχνικής TEM. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Διευθυντή Ερευνών του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος κ. Χρ. Τσάμη και το Ειδικό Λειτουργικό Επιστήμονα (ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος ) κ. Α. Σπηλιώτη για το σχηματισμό των δομών MOS. Δε θα μπορούσα να παραλείψω την αναγνώριση της βοήθειας που μου παρείχαν η μεταδιδακτορική ερευνήτρια κ. Μ. Μποτζακάκη και ο διδάκτορας κ. Ν. Ξανθόπουλος τόσο κατά τη διάρκεια λήψης των πειραματικών μετρήσεων όσο και κατά την επεξεργασία τους. Τέλος, ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στην οικογένεια μου και τους φίλους μου για την αμέριστη συμπαράστασή τους. Ιδιαίτερα, ευχαριστώ τους γονείς μου και τα αδέλφια μου, οι οποίοι με στηρίζουν σε κάθε απόφαση μου, και βρίσκονται δίπλα μου για να με βοηθήσουν οποιαδήποτε στιγμή τους χρειαστώ. vi

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Είναι γνωστό ότι η διαρκής σμίκρυνση των διαστάσεων ενός τρανζίστορ MOSFET συνοδεύεται από την παράλληλη διαρκή μείωση των διαστάσεων του SiΟ 2 ως διηλεκτρικού πύλης, καθώς για πάχη μικρότερα των 2nm το SiO 2 καθίσταται διαπερατό από ηλεκτρικούς φορείς λόγω του φαινομένου σήραγγος. Ως εκ τούτου η σύγχρονη τάση στην παρασκευή δομών MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) είναι η αντικατάσταση του SiO 2 ως διηλεκτρικού στρώματος από άλλα οξείδια, τα οποία έχουν μεγαλύτερη διηλεκτρική σταθερά με σκοπό την ανάπτυξη δομών με μεγαλύτερο φυσικό πάχος του διηλεκτρικού και ταυτόχρονα μικρότερο ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος. διατάξεων αυτών. Ένα από αυτά είναι και το πεντοξείδιο του ταντάλιου (Τa 2O 5), το οποίο έχει υψηλή διηλεκτρική σταθερά, χημική και θερμική σταθερότητα και εξασφαλίζει μικρά ρεύματα διαρροής. Στο πλαίσιο, της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκε η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός δομών MOS p-si/ta 2O 5/Al. Ειδικότερα, εναποτέθηκαν σε p τύπου υποστρώματα Πυριτίου, λεπτά υμένια Ta 2O 5 πάχους 7 και 20nm μέσω της τεχνικής Εναπόθεσης Ατομικού Στρώματος (Atomic Layer Deposition-ALD). Η θερμοκρασία εναπόθεσης ήταν 300 ο C. Ακολούθησε ο χημικός, δομικός και ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών αυτών. Η μελέτη της χημικής σύστασης των δομών πραγματοποιήθηκε μέσω της τεχνικής XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). Από την ανάλυση των φασμάτων XPS επαληθεύτηκε η στοιχειομετρία των λεπτών υμενίων Τa 2O 5 καθώς και η ανάπτυξη ενός ενδιάμεσου στρώματος υποξειδίων του Πυριτίου. Από τις εικόνες υψηλής ανάλυσης HRΤΕΜ (High Resolution Transmission Electron Microscope) προκύπτει ότι το Τa 2O 5 αναπτύσσεται ως άμορφο κι επιπλέον επιβεβαιώνεται η ύπαρξη του ενδιάμεσου στρώματος υποξειδίων του Πυριτίου, πάχους nm. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών p-si / 20nm Ta 2O 5 / Al, πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος όπου ελήφθησαν μετρήσεις C-V και C-f με παράμετρο τη θερμοκρασία και τη συχνότητα, καθώς επίσης και με μετρήσεις συνεχούς (Ι-V) με παράμετρο τη θερμοκρασία. Υπολογίσθηκε το ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (EOT) το οποίο παρουσιάζει αρκετά υψηλή τιμή ως αποτέλεσμα της ύπαρξης του διεπιφανειακού στρώματος υποξειδίων του Πυριτίου. Η μελέτη των μηχανισμών ηλεκτρικής αγωγιμότητας πραγματοποιήθηκε μέσω των μετρήσεων συνεχούς (I-V) τόσο για αρνητικές όσο και για θετικές τάσεις. Από την ανάλυση των χαρακτηριστικών, προκύπτει στην περιοχή των χαμηλών τάσεων ο ίδιος Ωμικός μηχανισμός αγωγιμότητας με ενέργεια ενεργοποίησης 0.67eV. Αντίθετα, στην περιοχή των vii

9 υψηλών θετικών τάσεων, ο μηχανισμός αγωγιμότητας είναι ο Schottky με ενέργεια ενεργοποίησης 0.61eV, ενώ στην περιοχή υψηλών αρνητικών τάσεων επικρατεί ο ελεγχόμενος από παγίδες μηχανισμός φορτίου χώρου, με ενέργεια αβαθών παγίδων 0.1eV. viii

10 ABSTRACT It is well established that the continuous diminishing of the MOSFET transistor s dimensions is followed by the continuous reduction of the SiO 2 dimensions as gate dielectric, since, for thicknesses less than 2nm, the SiO 2 becomes transparent to electrical carriers due to the tunneling effect. Therefore, the current trend in MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) technology is the replacement of SiO₂ by other oxides, with intrinsic higher dielectric constant in order to develop structures with lower equivalent oxide thickness (EOT). A promising candidate is tantalum pentoxide (Ta 2O 5), exhibiting high dielectric constant, chemical and thermal stability thus ensuring lower leakage currents. The aim of the present work is the development and chemical, structural and electrical characterization of p-si / Ta 2O 5 / Al MOS structures. Specifically, thin Ta 2O 5 films of 7 and 20nm thickness were deposited on p-type silicon substrates, by Atomic Layer Deposition (ALD) technique at 300 C. The study of the chemical composition of the structures was carried out using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) technique. From the analysis of the XPS spectra the stoichiometry of Ta 2O 5 thin films was verified as well as the development of an intermediate layer of silicon suboxides (SiO x). High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), reveals that Ta 2O 5 is amorphous and further on confirms the existence of an nm thickness of SiO x. The electrical characterization of the p-si / 20nm Ta 2O 5 / Al MOS structures was performed by Broadband dielectric spectroscopy (BDS), where C-V and C-f measurements were obtained with temperature and frequency as parameters. I-V measurements were also performed as a function of temperature. The calculated equivalent oxide thickness (EOT) is rather high (9.6 nm) due to the silicon dioxide interfacial layer. I-V measurements were performed for both negative and positive voltages revealing the prevailing conduction mechanisms. Specifically, in the low voltage region (positive and negative), the Ohmic conduction mechanism is the dominant one with an activation energy of 0.67eV. In contrast, in the high positive voltage region, the Schottky conduction mechanism is dominant, with an activation energy of 0.61eV while in the high negative voltage region the trap control space charge limited conduction prevails with a shallow trap activation energy of 0.1eV. ix

11 1

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το transistor MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Filled-Effect-Transistor), ως δομικός λίθος της τεχνολογίας CMOS, κυριαρχεί στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων πολύ μεγάλης κλίμακας, όπως μικροεπεξεργαστές και κυκλώματα μνήμης. Οι βασικές αρχές αυτού του είδους transistor διατυπώθηκαν από τον Julius Edgar Lilienfeld το 1925 [1] ο οποίος 12 χρόνια αργότερα στα εργαστήρια της Bell Telephone σχεδίασε το transistor FET (Field Effect Transistor). Το 1959 ο Dawon Kahng και ο Martin M. (John) Atalla στα Bell Labs εφηύραν το transistor MOSFET βασιζόμενοι στην πατέντα του Lilienfeld [2]. Το transistor MOSFET αποτελείται από 3 ακροδέκτες, την πηγή, την πύλη και την αποβάθρα. Η δομή MOS, η οποία ουσιαστικά αποτελεί την πύλη ενός transistor τύπου MOSFET, κατασκευάστηκε αναπτύσσοντας ένα στρώμα διηλεκτρικού πάνω στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού και τοποθετώντας μετά ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο πύλης πάνω στο διηλεκτρικό. Ο ημιαγωγός που αρχικά χρησιμοποιήθηκε ήταν κρυσταλλικό πυρίτιο και το διηλεκτρικό το θερμικά αναπτυσσόμενο οξείδιο του, δηλαδή το διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2). Η δομή αυτή λόγω της πολύ καλής διεπιφάνειας που σχηματίζεται μεταξύ του Si/SiO 2 χρησιμοποιήθηκε και χρησιμοποιείται κατά κόρον έως σήμερα. Από το 1959 μέχρι σήμερα, η ολοένα και αυξανόμενη ανάγκη για ταχύτερες διατάξεις ολοκληρωμένων κυκλωμάτων έχει οδηγήσει σε συνεχή σμίκρυνση των διαστάσεων των δομών. Από τον εμπειρικό νόμο του Moore (Σχήμα 1) [3] έχει προβλεφθεί η μείωση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των transistor σχεδόν κάθε δύο χρόνια. Το 2015, όμως, η Intel επιβεβαίωσε τις προβλέψεις που ήθελαν τον ρυθμό του νόμου του Moore να επιβραδύνεται [4]. Η επιβράδυνση αυτή οφείλεται σε μία σειρά από προβλήματα που εμφανίζονται με τη σμίκρυνση των δομών. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα εμφανίζεται να είναι το γεγονός ότι η περαιτέρω σμίκρυνση του transistor, η οποία αναγκαστικά συνοδεύεται από μείωση του πάχους του διηλεκτρικού ανέδειξε τα όρια του πάχους του SiO 2 ως διηλεκτρικό πύλης. Παρατηρήθηκε ότι για πάχη μικρότερα των 2nm, το SiO 2 χάνει τις μονωτικές του ιδιότητες καθώς καθίσταται διαπερατό από ηλεκτρόνια λόγω του φαινομένου σήραγγος. 2

13 ΣΧΗΜΑ 1 Εμπειρικός νόμος του Moore Η ανάγκη εύρεσης κατάλληλου διηλεκτρικού για την αντικατάσταση του SiO 2 οδήγησε και σε έρευνα πιθανής αντικατάστασης του ημιαγώγιμου υποστρώματος Si από άλλους ημιαγωγούς που εμφανίζουν ενδογενώς μεγαλύτερη ευκινησία ηλεκτρονίων και οπών [5,6]. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει αρκετές δοκιμές αντικατάστασης του πυριτίου από άλλους ημιαγωγούς (απλούς και σύνθετους), όπως το Ge και το GaAs [7,8,9,10,11]. Τα αποτελέσματα ταυτόχρονης αντικατάστασης ημιαγώγιμου και διηλεκτρικού στρώματος εμφανίζονται αρκετά ενθαρρυντικά, όχι όμως σε σε τέτοιο βαθμό ώστε να αντικαταστήσουν το Si στη βιομηχανία και την παραγωγή [12]. Η έρευνα αντικατάστασης του SiO 2, εντοπίζεται κυρίως σε υλικά τα οποία εμφανίζουν μεγαλύτερη, από το SiO 2, διηλεκτρική σταθερά. Αυτά τα υλικά ονομάζονται υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectrics) με χαρακτηριστικούς εκπροσώπους τα Al 2O 3, ΖrO 2, HfO 2, TiO 2, κ.τ.λ [13] με διηλεκτρική σταθερά 10, 22, 25 και 80 αντίστοιχα. Η εύρεση ενός υλικού υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς σε συνδυασμό με την επιτυχή ανάπτυξη του στο ημιαγώγιμο υπόστρωμα θα οδηγήσει σε δημιουργία δομών οι οποίες θα χαρακτηρίζονται ταυτόχρονα από μεγαλύτερο φυσικό πάχος αλλά μικρότερο ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος, συγκριτικά με παρόμοιες δομές, οι οποίες βασίζονται σε διηλεκτρικό υμένιο SiO 2. Η κύρια πρόκληση στην εφαρμογή αυτών των υλικών που χρήζει περισσότερη έρευνα και διερεύνηση είναι η δημιουργία μίας, όσο το δυνατόν, βέλτιστης διεπιφάνειας μονωτικού υμενίου / υποστρώματος. Η ποιότητα της διεπιφάνειας (μικρό πλήθος διεπιφανειακών καταστάσεων, επίπεδη διεπιφάνεια κτλ.) έχει βρεθεί ότι σχετίζεται άμεσα με την ηλεκτρική απόκριση της δομής και κατ επέκταση με τη λειτουργικότητα της διάταξης [14,15]. 3

14 Ένα από τα πολλά υποσχόμενα υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς είναι και το πεντοξείδιο του ταντάλιου (Ta 2O 5) [16,17,18,19,20]. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι η υψηλή διηλεκτρική του σταθερά, η θερμική και χημική σταθερότητά του και τα μικρά ρεύματα διαρροής. Τροχοπέδη στην εφαρμογή του σε μελλοντικές διατάξεις MOS αποτελεί ο ακούσιος σχηματισμός, κατά την ανάπτυξη του, ενός ανεπιθύμητου διεπιφανειακού στρώματος, πλούσιου σε ατέλειες και παγίδες φορτίων, υποξειδίων του Πυριτίου (SiO x) [21] το οποίο μειώνει τη διηλεκτρική σταθερά του λεπτού υμενίου υποβαθμίζοντας παράλληλα την ποιότητα της διεπιφάνειας. Θεωρείται ότι, η επιτυχής ανάπτυξη ενός λεπτού στρώματος Ta 2Ο 5 σε ημιαγώγιμο υπόστρωμα, θα οδηγήσει σε δημιουργία δομών MOS με ΕΟΤ <1nm [22]. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη δομών MOS που βασίζονται σε υποστρώματα p-si, με διηλεκτρικό πύλης το Ta 2Ο 5. Η εναπόθεση του λεπτού υμενίου Ta 2O 5 στο υπόστρωμα p-si επιτεύχθηκε μέσω της τεχνικής ALD (Atomic Layer Deposition). Η μελέτη περιλαμβάνει τον έλεγχο της χημικής σύστασης των υμενίων Ta 2Ο 5 αλλά και της διεπιφάνειας Ta 2Ο 5 / p-si μέσω της τεχνικής XPS, την μελέτη και ανάλυση των εικόνων ΤΕΜ της δομής και τέλος τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό της μέσω της λήψης και ανάλυσης μετρήσεων C-V και I-V με παράμετρο τη θερμοκρασία. Σκοπός της λήψης των μετρήσεων C-V και I-V είναι η μελέτη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των δομών και η διερεύνηση των μηχανισμών που διέπουν την αγωγιμότητα τους. 4

15 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Lilienfeld Julius Edgar U.S. Patent 1,745,175 "Method and apparatus for controlling electric currents". Priority date October 22, 1925 [2] 1960 Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated: John Atalla and Dawon Kahng fabricate working transistors and demonstrate the first successful MOS fieldeffect amplifier (U.S. Patent 3,102,230 filed in 1960, issued in 1963) [3] Moore, Gordon E. ( ). "Cramming more components onto integrated circuits". Electronics. Retrieved [4] INTEL CORP, FORM 10-K (Annual Report), Filed 02/12/16 for the Period Ending 12/26/15 [5] M. Passlack et al., Compound semiconductor Integrated Circuit Symposium, IEEE (2006) [6] Μ. Heyns and W. Tsai, MRS Bulletin, Vol. 34, 7 (2007) [7] M. Caymax et al., Materials Science and Engineering B, 135 (2006) [8] R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S. Takagi, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 59, No. 2 (2012) [9] M.A. Botzakaki et al., ECS Solid State Letters. 1, P32 34 (2012) [10] C. F. Yen, M. K. Lee, Solid-State Electronics, 73 (2012) [11] R. B. Konda, C. White, D. Thomas, Q. Yang and A. K. Prahdan, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 31, (2013) [12] P. S. Goley and M. K. Hudait, Materials, 7(3) (2014) [13] J. P. Locquet et al., J. Appl. Phys. 100, (2006) [14] P. D. Kirsch, C. S. Kang, J. Lozano, J. C. Lee and J. G. Ekerdt, J. Appl. Phys. 91, 4353 (2002) [15] V. Naumann, M. Otto, R.B. Wehrspohn, M. Werner, C. Hagendorf, Energy Procedia, 27 (2012) [16] D. Park et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 19, No. 11 (1998) [17] A. Paskaleva et al., Vacuum 58 (2000) [18] P. Ozdag et al, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Vol. 7, No. 1 (2005) [19] L. Kornblum et al., J. Appl. Phys. 113, (2013) [20] Kukli et al., AIP Advances 7, (2017) [21] C. Chaneliere et al., Materials Science and Engineering R22, (1998) [22] M. K. Kim, W.H Kim, T. Lee, H. Kim, Thin Solid Films 542, (2013) 5

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ΔΟΜΗ MOS 1.1 Η ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ TRANSISTOR MOSFET H βασική δομή ενός transistor MOSFET τύπου n, απεικονίζεται στο σχήμα 1.1 [1]. Η δομή αποτελείται από ένα ημιαγώγιμο υπόστρωμα τύπου p στο οποίο δημιουργούνται, με ιοντική εμφύτευση ατόμων προσμίξεων τύπου n, δύο περιοχές τύπου n, η πηγή (source) και η εκροή ή καταβόθρα (drain). Τα βασικά μεγέθη της δομής είναι το μήκος του καναλιού (channel) L, το οποίο εκφράζει την απόσταση μεταξύ των δύο μεταλλικών επαφών n-p, το εύρος του καναλιού W, το πάχος του διηλεκτρικού d, το βάθος της επαφής r i (junction depth) και ο αριθμός των ατόμων προσμίξεων στον ημιαγωγό N A. Στα transistor τύπου p, αναστρέφονται οι περιοχές τύπου p σε τύπου n και αντίστροφα. Ένα από το κύρια δομικά στοιχεία ενός transistor τύπου MOSFET, κρίσιμα για την ορθή και αποδοτική λειτουργία του, είναι η πύλη (gate) η οποία ουσιαστικά είναι μία δομή Μετάλλου Μονωτή Ημιαγωγού (MOS). Στα επόμενα γίνεται εκτεταμένη ανάλυση της συμπεριφοράς της ιδανικής δομής MOS σε διαφορετικές καταστάσεις πόλωσης και των αποκλίσεων που εμφανίζονται από αυτή, στη μελέτη μίας πραγματικής δομής. ΣΧΗΜΑ 1.1 Δομή transistor πυριτίου n-mos. 6

17 1.2 ΕΠΑΦΗ MOS Στα παρακάτω εδάφια περιγράφεται αναλυτικά η ιδανική επαφή ΜΟS καθώς επίσης και η πραγματική δομή Si / SiO 2 / Metal [1]. H ιδανική επαφή MOS αντιστοιχεί σε μια ιδανική κατάσταση του συστήματος Μέταλλο-Μονωτής-Ημιαγωγός η οποία είναι χρήσιμη για την κατανόηση της κίνησης των φορέων. Η ανάλυση της πραγματικής δομής MOS εντοπίζεται στην ανάλυση της δομής βασισμένης στο Πυρίτιο που απαντά στη μορφή Si / SiO 2 / Metal. Η δομή αυτή είναι η πλέον μελετημένη και διαδεδομένη καθώς για περισσότερα από 50 συνεχή έτη το Si μονοπωλούσε το ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον λόγω της πολύ καλής διεπιφάνειας που σχηματίζει με το αυτοαναπτυσσόμενο οξείδιο του (Si / SiO 2) ΙΔΑΝΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS Κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις, μια επαφή MOS μπορεί να θεωρηθεί ιδανική. Οι δύο πρώτες προϋποθέσεις αφορούν στην ύπαρξη ενός ιδανικού μονωτή στην επαφή MOS. Η έννοια του ιδανικού μονωτή περιγράφει ένα διηλεκτρικό υμένιο (1) πλήρως απαλλαγμένο από ατέλειες και φορτία χώρου που αναπτύσσονται στον όγκο του κατά την ανάπτυξη του και (2) το οποίο δεν επιτρέπει τη διέλευση κανενός είδους φορτίου διά μέσου του όγκου του. Η τρίτη προϋπόθεση για να θεωρηθεί μια επαφή MOS ιδανική αφορά τη συνθήκη επίπεδων ζωνών, η οποία περιγράφει την κατάσταση όπου οι ζώνες είναι επίπεδες όταν δεν υπάρχει εφαρμοζόμενη τάση, και αποδίδεται στο σχήμα 1.2 για ημιαγωγό τύπου p. ΣΧΗΜΑ 1.2 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών ιδανικής επαφής MOSγια V=0 σε ημιαγωγό τύπου p [1]. 7

18 Συγκεκριμένα, όταν δεν εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού (V=0) στο σύστημα, η ενεργειακή διαφορά μεταξύ του έργου εξόδου του μετάλλου και του ημιαγωγού είναι 0, δηλαδή: (τύπου n) (1.1) (τύπου p) (1.2) όπου το φορτίο του ηλεκτρονίου, το έργο εξόδου του μετάλλου, η ηλεκτρονική συγγένεια του ημιαγωγού, το ενεργειακό χάσμα, το φράγμα δυναμικού μεταξύ του μετάλλου και του ημιαγωγού, η διαφορά δυναμικού μεταξύ της στάθμης Fermi Ε F του μετάλλου και της στάθμης Fermi E i του ενδογενούς ημιαγωγού ΙΔΑΝΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΑΣΗΣ Με την εφαρμογή τάσης σε μία ιδανική επαφή MOS, δύναται να σχηματισθούν, ανάλογα με το είδος της εφαρμοζόμενης τάσης (θετική, αρνητική, πολύ θετική ή πολύ αρνητική) και τον τύπο του ημιαγωγού (τύπου p ή n), τρείς περιοχές στην επιφάνεια του εκάστοτε ημιαγωγού. ΣΧΗΜΑ 1.3 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών για ιδανική επαφή ΜΟS όταν V 0 για την περιοχή (α) συσσώρευσης,(β) απογύμνωσης και (γ) αναστροφής [1]. Στην περίπτωση ενός ημιαγωγού τύπου p, η εφαρμογή αρνητικής τάσης προκαλεί μία κάμψη προς τα πάνω στη ζώνη σθένους του ημιαγωγού, καθώς τα ηλεκτρόνια κερδίζουν ενέργεια, πλησιάζοντας έτσι τη ζώνη Fermi (ΣΧΗΜΑ 1.3α). Λόγω του γεγονότος ότι η πυκνότητα των φορέων εξαρτάται εκθετικά από την ενεργειακή διαφορά Ε i-e F, δηλαδή: (1.3) όπου η συγκέντρωση των οπών, η συγκέντρωση των ενδογενών φορέων, η ενέργεια Fermi του ενδογενούς ημιαγωγού, η ενέργεια Fermi του μετάλλου, η σταθερά του 8

19 Boltzman και η απόλυτη θερμοκρασία, η κάμψη των ενεργειακών ζωνών προκαλεί συσσώρευση φορέων πλειονότητας (οπών) κοντά στην επιφάνεια του ημιαγωγού δημιουργώντας την περιοχή συσσώρευσης. Με την εφαρμογή μικρής θετικής τάσης, οι ενεργειακές ζώνες κάμπτονται προς τα κάτω και οι φορείς πλειονότητας απωθούνται προς το εσωτερικό του ημιαγωγού λόγω της επίδρασης του πεδίου. Αυτή η περιοχή καλείται περιοχή απογύμνωσης (Σχήμα 1.3β). Εξαιτίας της απογύμνωσης των φορέων, το δυναμικό στην επιφάνεια γίνεται μεγαλύτερο απ ότι στο εσωτερικό. Έτσι, από τη στιγμή που το δυναμικό γίνεται θετικό, η δυναμική ενέργεια των ηλεκτρονίων γίνεται πιο αρνητική. Επομένως οι ζώνες ακολουθούν τις μεταβολές της δυναμικής ενέργειας των ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια κάμπτονται προς τα κάτω. Στην περίπτωση της εφαρμογής μιας μεγάλης θετικής τάσης, οι ενεργειακές ζώνες του ημιαγωγού, κάμπτονται ακόμα περισσότερο προς τα κάτω, με αποτέλεσμα η στάθμη Ε i να τέμνει τη στάθμη Fermi E F (Σχήμα 1.3γ). Σ αυτό το σημείο ο αριθμός των φορέων μειονότητας (ηλεκτρονίων) στην επιφάνεια του ημιαγωγού είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των φορέων πλειονότητας (οπές), μετατρέποντας τοπικά τον ημιαγωγό από τύπου p σε τύπου-n. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αναστροφή και αυτή η περιοχή καλείται περιοχή αναστροφής. Ανάλογη εικόνα παρουσιάζεται και στην εφαρμογή τάσης και για ημιαγωγό τύπου n, με μόνη διαφορά την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΙΔΑΝΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ MOS Στην ενότητα αυτή αναλύεται η συμπεριφορά / απόκριση μιας ιδανικής δομής MOS αναπτυγμένη σε ημιαγώγιμο υπόστρωμα τύπου p στην εφαρμογή εξωτερικής τάσης πόλωσης. Εφαρμόζοντας τάση V στα άκρα της ιδανικής διόδου MOS, ένα μέρος της (V i) κατανέμεται στο διηλεκτρικό και το υπόλοιπο (ψ s) στον ημιαγωγό, δηλαδή: (1.4) όπου το δυναμικό κατά μήκος του διηλεκτρικού και το δυναμικό στην επιφάνεια του ημιαγωγού. Στα επόμενα, θα μελετηθεί η συμπεριφορά της δομής στη εφαρμογή αρνητικής, θετικής και ισχυρά θετικής τάσης πόλωσης. (Α) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ-ΠΕΡΙΟΧΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗΣ Μικρή αύξηση της αρνητικής τάσης πόλωσης που εφαρμόζεται στην επαφή προκαλεί αντίστοιχη αύξηση φορτίου κατά dq m στην επιφάνεια του μετάλλου και ισοδύναμη αύξηση θετικού φορτίου κατά dq s στην επιφάνεια του ημιαγωγού (Σχήμα 1.4). 9

20 ΣΧΗΜΑ 1.4 Περιοχή συσσώρευσης-κατανομή φορτίων [11]. Η δομή συμπεριφέρεται σαν ένας πυκνωτής με παράλληλους οπλισμούς, με διηλεκτρικό το οξείδιο πάχους, και διηλεκτρικής σταθεράς, η χωρητικότητα του οποίου ανά μονάδα επιφάνειας,, δίνεται από τη σχέση (1.6): (1.5) Παρατηρείται ότι στην περίπτωση της συσσώρευσης η χωρητικότητα της διάταξης MOS είναι ανεξάρτητη τόσο από την εξωτερική τάση πόλωσης V, όσο και από τη συχνότητα του εναλλασσόμενου σήματος που προκαλεί τις μεταβολές φορτίων. (Β) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΘΕΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ-ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΠΟΓΎΜΝΩΣΗΣ Στην περίπτωση οποιασδήποτε μεταβολής της θετικής τάσης πόλωσης, προκαλείται μεταβολή του φορτίου κατά dq m στην επιφάνεια του μετάλλου, η οποία αντισταθμίζεται από αντίστοιχη μεταβολή dq s του φορτίου της περιοχής απογύμνωσης, εύρους W, του ημιαγωγού. Αυτό συνεπάγεται ότι η αντιστάθμιση του φορτίου dq s της περιοχής απογύμνωσης πραγματοποιείται μέσω της μεταβολής (αύξηση ή ελάττωση) του βάθους W κατά μία ποσότητα dw της περιοχής απογύμνωσης του ημιαγωγού (Σχήμα 1.5). ΣΧΗΜΑ 1.5 Περιοχή απογύμνωσης-κατανομή φορτίων [1]. 10

21 Αποδεικνύεται ότι η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφανείας της διάταξης MOS στην περιοχή απογύμνωσης δίνεται από τη σχέση: (1.6) όπου η χωρητικότητα του οξειδίου ανά μονάδα επιφανείας, η εξωτερική τάση πόλωσης, ο αριθμός Avogadro, το φορτίο του ηλεκτρονίου, η συγκέντρωση ενδογενών φορέων αγωγιμότητας του ημιαγωγού και Κ s η διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού. Είναι φανερό ότι η χωρητικότητα στην περίπτωση της απογύμνωσης, εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση, και μάλιστα με την αύξηση της τάσης παρατηρείται μείωση της χωρητικότητας της διάταξης, αλλά παραμένει ανεξάρτητη της συχνότητας του εναλλασσόμενου σήματος. (Γ) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΙΣΧΥΡΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣ Στην περίπτωση εφαρμογής μίας ισχυρά θετικής τάσης στη δομή [1], ο μηχανισμός αντιστάθμισης της μεταβολής του φορτίου dq m στο μέταλλο από το αντίστοιχο αναπτυσσόμενο φορτίο στον ημιαγωγό διαφέρει αναλόγως την συχνότητα της υπετιθέμενης εναλλασσόμενης τάσης. Έτσι, για τη μελέτη της περιοχής αυτής, η ανάλυση διαχωρίζεται στην περιοχή υψηλών και χαμηλών συχνοτήτων. Στην περίπτωση των χαμηλών συχνοτήτων, η μεταβολή dq m του φορτίου στο μέταλλο μπορεί να αντισταθμιστεί από τη μεταβολή dq s τoυ φορτίου του στρώματος αναστροφής (φορείς μειονότητας), καθώς οι φορείς μπορούν να ανταποκριθούν στις εναλλαγές του πεδίου (Σχήμα 1.6α). Έτσι, η περιοχή απογύμνωσης δεν επηρεάζει την διάταξη και η ολική χωρητικότητα ισούται με αυτή του οξειδίου και δίνεται από τη σχέση: (1.7) Παρατηρείται πως στην περίπτωση εφαρμογής μεγάλης θετικής τάσης και χαμηλής συχνότητας η χωρητικότητα C της διάταξης είναι ανεξάρτητη της πόλωσης V και της συχνότητας του σήματος και εμφανίζεται ίδια με την αντίστοιχη στην περιοχή συσσώρευσης. Στην περίπτωση εφαρμογής υψηλής συχνότητας (Σχήμα 1.6β), η μεταβολή dq m του φορτίου του μετάλλου αντισταθμίζεται από τη μεταβολή του φορτίου στην περιοχή απογύμνωσης dq s καθώς το φορτίο αναστροφής στην επιφάνεια του ημιαγωγού δεν προλαβαίνει να ακολουθήσει τη μεταβολή της υψηλής συχνότητας του σήματος. Έτσι η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφανείας δίνεται από τη σχέση: 11

22 (1.8) όπου η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού, το πάχος του διηλεκτρικού, η σταθερά Boltzmann, η απόλυτη θερμοκρασία, ο αριθμός Avogadro, το φορτίο του ηλεκτρονίου, η συγκέντρωση ενδογενών φορέων αγωγιμότητας του ημιαγωγού και η διηλεκτρική σταθερά του ημιαγωγού. (α) (β) ΣΧΗΜΑ 1.6 Κατανομή φορτίου στην περιοχή αναστροφής (α)για σήμα χαμηλών συχνοτήτων και (β)για σήμα υψηλών συχνοτήτων [1]. Στο Σχήμα 1.7 φαίνεται η χαρακτηριστική C-V για τις διάφορες καταστάσεις πόλωσης μιας ιδανικής διόδου MOS. ΣΧΗΜΑ 1.7 Χαρακτηριστική C-V ιδανικής διόδου MOS p-τύπου [2] ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΕΠΑΦΗ MOS 12

23 Όπως προαναφέρθηκε (βλ ), η ιδανική επαφή MOS δεν είναι παρά μια ιδεατή δομή η οποία αποκλίνει αρκετά από την πραγματική επαφή MOS. H απόκλιση αυτή οφείλεται, κατά κύριο λόγο, στους εξής παράγοντες [1,3,4] : Στις ατέλειες που δημιουργούνται κατά την ανάπτυξη του οξειδίου. Ως ατέλειες ορίζονται: (i) το παγιδευμένο, στη διεπιφάνεια Ημιαγωγού / Μονωτή, φορτίο του οξειδίου, (ii) το σταθερό φορτίο του οξειδίου και (iii) το παγιδευμένο φορτίο του οξειδίου και το ευκίνητο ιοντισμένο φορτίο του οξειδίου. Στη διαφορά των έργων εξόδου του μετάλλου και του ημιαγωγού Σε εξωτερικές επιδράσεις όπως η θερμοκρασία, το φως, η ακτινοβολία ιονισμού, κτλ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ MOS H διαφορά των έργων εξόδου ενός μετάλλου και ημιαγωγού σχετίζεται με την κάμψη των ενεργειακών ζωνών του ημιαγωγού [4]. Σε μία ιδανική επαφή MOS (βλ ) δεν παρατηρείται κάμψη των ενεργειακών ζωνών του ημιαγωγού (flat band) χωρίς την εφαρμογή τάσης το οποίο σημαίνει ότι δεν υπάρχει διαφορά στα έργα εξόδου μετάλλου και ημιαγωγού. Σε μία πραγματική επαφή MOS, όμως, υπάρχει διαφορά στα έργα εξόδου μεταξύ μετάλλου και ημιαγωγού με αποτέλεσμα την κάμψη των ζωνών κατά το σχηματισμό της επαφής. Η διαφορά αυτή αντιστοιχεί σε μετατόπιση της πειραματικής καμπύλης C-V σε σχέση με τη θεωρητική (Σχήμα 1.8) ως προς τον άξονα των τάσεων κατά μία τάση V FB (τάση επίπεδων ζωνών) η οποία προκύπτει ως η διαφορά μεταξύ των έργων εξόδου του μετάλλου και του ημιαγωγού και δίνεται από τη σχέση: (1.9) όπου και τα έργα εξόδου του μετάλλου και του ημιαγωγού αντίστοιχα και q το φορτίο του ηλεκτρονίου. ΣΧΗΜΑ 1.8 Μετατόπιση της καμπύλης C-V κατά μία τάση V FB λόγω της διαφοράς των έργων εξόδου μεταξύ του μετάλλου και του ημιαγωγού για ημιαγωγό τύπου p [1]. 13

24 Η σημαντικότερη ίσως πηγή απόκλισης της χαρακτηριστικής καμπύλης C-V αποτελεί η ύπαρξη ατελειών στη δομή. Οι ατέλειες αυτές προκαλούν την εμφάνιση φορτίων τα οποία μπορεί να εντοπίζονται είτε στον όγκο του διηλεκτρικού υλικού είτε στη διεπιφάνεια μεταξύ αυτού και του ημιαγωγού. Ανάλογα με το είδος τους επιδρούν διαφορετικά στην καμπύλη C-V. Oι ατέλειες αυτές έχουν προκύψει από τη μελέτη της δομής Si / SiO 2 χωρίς βέβαια αυτό να σημαίνει ότι δεν παίζουν ρόλο και σε άλλες κατηγορίες διηλεκτρικών στα οποία σαφώς εμφανίζονται κι άλλες ατέλειες ανάλογα με το είδος του διηλεκτρικού και τη διεπιφάνεια που σχηματίζει με τον ημιαγωγό. Στο σχήμα 1.9 παρατίθεται ένα σχήμα με τη χωρική κατανομή των φορτίων στη μία διάταξη MOS Si / SiO 2 / Metal. ΣΧΗΜΑ 1.9 Χωρική κατανομή των φορτίων στη διάταξη MOS Si / SiO 2 / Metal [1]. Το σταθερό φορτίο του οξειδίου [3], το οποίο είναι θετικό, εντοπίζεται πολύ κοντά στη διεπιφάνεια Si/SiO 2. Δεν επηρεάζεται σημαντικά από το πάχος του οξειδίου ή από το είδος και τη συγκέντρωση των προσμείξεων στο πυρίτιο αλλά εξαρτάται από τις συνθήκες οξείδωσης και ανόπτησης και από τον προσανατολισμό της επιφάνειας του πυριτίου. Η μετατόπιση της πειραματικής καμπύλης ως αποτέλεσμα της επίδρασης του σταθερού φορτίου εκφράζεται από τη μετατόπιση της τάσης κατά, η οποία δίνεται από τη σχέση: (1.10) όπου το φορτίο των ευκίνητων ιόντων ανά μονάδα επιφάνειας και η χωρητικότητα του οξειδίου ανά μονάδα επιφάνειας. To παγιδευμένο φορτίο του οξειδίου συνδέεται με τις ατέλειες στο SiO 2. Οι ατέλειες αυτές, παρόλο που αρχικά είναι ηλεκτρικά ουδέτερες, είναι δυνατόν να δράσουν σαν παγίδες ηλεκτρονίων ή οπών. Αυτό συμβαίνει όταν περνά ρεύμα από το οξείδιο ή από την πρόσπτωση ιονίζουσας ακτινοβολίας στη διάταξη ή από την έγχυση hot-electrons. Hot 14

25 electrons χαρακτηρίζονται τα ηλεκτρόνια που αποκτούν αρκετή κινητική ενέργεια ώστε να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικού και να δημιουργήσουν ατέλειες στο οξείδιο. Η μετατόπιση της τάσης, όπως αντίστοιχα και για το σταθερό οξείδιο, δίνεται από τη σχέση: (1.11) όπου το παγιδευμένο φορτίο του οξειδίου ανά μονάδα επιφάνειας και η χωρητικότητα του οξειδίου ανά μονάδα επιφάνειας. To ευκίνητο φορτίο [4] στο SiO 2 οφείλεται κυρίως σε ιοντικές προσμείξεις αλκαλίων (Να +, Li +, K + ) ή Η +. Αρνητικά ιόντα ή βαρέα μέταλλα μπορούν επίσης να συνεισφέρουν στο φορτίο. Τα φορτία αυτού του είδους μπορούν να κινούνται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση μέσα στο οξείδιο. Εξαρτώνται σημαντικά από τις συνθήκες εξωτερικής πόλωσης και σε μεγάλες θερμοκρασίες προκαλούν μετατόπιση της καμπύλης C-V. Η μετατόπιση της τάσης, όπως αντίστοιχα και για το σταθερό οξείδιο, δίνεται από τη σχέση: (1.12) όπου το φορτίο των ευκίνητων ιόντων ανά μονάδα επιφάνειας και η χωρητικότητα του οξειδίου ανά μονάδα επιφάνειας. H συνολική, λοιπόν, μετατόπιση της τάσης που προκαλείται από τα φορτία των οξειδίων δίνεται από τη σχέση: (1.13) Στο σχήμα 1.11 φαίνεται η μετατόπιση της καμπύλης C-V λόγω της επίδρασης των φορτίων στον όγκο του οξειδίου. ΣΧΗΜΑ 1.10 Μετατόπιση της καμπύλης C-V κατά ΔV λόγω της επίδρασης των φορτίων στον όγκο του οξειδίου [1]. Το παγιδευμένο φορτίο στη διεπιφάνεια Μονωτή / Ημιαγωγού (Q it) [5] μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό και οφείλεται σε δομικές ατέλειες, ατέλειες εξαιτίας οξειδώσεων, μεταλικές προσμείξεις ή άλλες ατέλειες που δημιουργούνται από το σπάσιμο των δεσμών του Si, το οποίο προκαλείται από την πρόσπτωση ακτινοβολίας ή λόγω διέλευσης των λεγόμενων 15

26 hot electrons. Αυτό το είδος φορτίου αναφέρεται επίσης και ως διεπιφανειακές (interface) καταστάσεις (states). Οι διεπιφανειακές καταστάσεις [3] διακρίνονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα αν βρίσκονται πάνω ή κάτω από την E i. Αν εντοπίζονται κάτω από την E i τότε συμπεριφέρονται ως δότες (Donors (D)), ενώ αν εντοπίζονται πάνω από αυτή συμπεριφέρονται ως αποδέκτες (Acceptors (A)) (Σχήμα 1.11α). Πιο συγκεκριμένα, οι διεπιφανειακές παγίδες που βρίσκονται κάτω από την Ε F καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να είναι ουδέτερες [6]. Για ενέργεια μεταξύ της Ε F και Εi οι δότες δεν καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια κι επομένως έχουν θετικό φορτίο. Αντίστοιχα, πάνω από την E i οι αποδέκτες είναι κενοί με αποτέλεσμα να είναι ηλεκτρικά ουδέτεροι. Επομένως, στην περίπτωση των επίπεδων ζωνών (χωρίς την εφαρμογή εξωτερικής πόλωσης) το συνολικό φορτίο των διεπιφανειακών καταστάσεων είναι θετικό. Με την εφαρμογή θετικής τάσης πόλωσης, το συνολικό φορτίο είναι αρνητικό (Σχήμα 1.11β) ενώ με εφαρμογή αρνητικής τάσης πόλωσης το συνολικό φορτίο είναι και πάλι θετικό (Σχήμα 1.11γ). Η ύπαρξη διεπιφανειακών καταστάσεων έχει ως αποτέλεσμα τη μη παράλληλη μετατόπιση της καμπύλης C-V, όπως φαίνεται στο σχήμα (α) (β) (γ) ΣΧΗΜΑ 1.11 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών για ημιαγωγό παρουσία των διεπιφανειακών καταστάσεων (α)χωρίς εξωτερική τάση πόλωσης, (β) με θετική τάση πόλωσης και (γ) με αρνητική τάση πόλωσης. Οι μαύρες έντονες γραμμές αντιστοιχούν σε κατειλημμένες διεπιφανειακές καταστάσεις ενώ οι αχνές μαύρες γραμμές αντιστοιχούν σε μη κατειλημμένες διεπιφανειακές καταστάσεις [4]. 16

27 ΣΧΗΜΑ 1.12 Μετατόπιση της καμπύλης C-V λόγω της επίδρασης των διεπιφανειακών παγίδων ΥΛΙΚΑ ΥΨΗΛΗΣ ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ Τα τελευταία χρόνια, αρκετά υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k dielectrics) έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον με σκοπό την εφαρμογή τους σε διατάξεις μικροηλεκτρονικής [7] και την ένταξη τους στα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Η εύρεση σε συνδυασμό με την επιτυχή ανάπτυξη και εφαρμογή τους στα ολοκληρωμένα κυκλώματα θα σημάνει την δημιουργία διατάξεων με πολύ υψηλότερες, συγκριτικά με τις σημερινές, αποδόσεις. Η ανάγκη εύρεσης διηλεκτρικών υλικών με υψηλότερη, συγκριτικά με την αντίστοιχη του SiO 2, διηλεκτρική σταθερά, σχετίζεται άμεσα με την έννοια του ισοδύναμου ηλεκτρικού πάχους (EOT). Ως ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος, ορίζεται το πάχος του στρώματος του SiO 2 το οποίο εμφανίζει ίση χωρητικότητα με τη χωρητικότητα του στρώματος του υλικού υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς συγκεκριμένου πάχους. Η μαθηματική έκφραση για το ΕΟΤ δίνεται από τη σχέση: (1.14) όπου η διηλεκτρική σταθερά του SiO 2, η διηλεκτρική σταθερά του υλικού υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς και το πάχος του διηλεκτρικού. Είναι φανερό ότι τα υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς έχουν μεγαλύτερο φυσικό πάχος για το ίδιο ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (ΕΟΤ) μιας δομής με διηλεκτρικό το SiO 2. Συγκεκριμένα το ΕΟΤ είναι ευθέως ανάλογο του λόγου της διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού προς τη διηλεκτρική σταθερά του SiO 2. 17

28 Στο σημείο αυτό, πρέπει να σημειωθεί ότι τα υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, εκτός από τη μεγαλύτερη, σε σχέση με το SiO 2, διηλεκτρική σταθερά, πρέπει να πληρούν και άλλες προϋποθέσεις. Κάποιες από αυτές συνοψίζονται ως εξής [7] : Υψηλή διηλεκτρική σταθερά και μεγάλο ενεργειακό χάσμα Μεγάλο band offset με τα ηλεκτρόδια Μεγάλη θερμική και χημική σταθερότητα όταν έρχονται σε επαφή με τους ημιαγωγούς Ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (ΕΟΤ) μικρότερο από 2 nm Συμβατότητα με τα υλικά των ηλεκτροδίων πύλης Διεπιφανειακές καταστάσεις (D it) της τάξης του evcm -2. Ευκινησία φορέων ίση ή μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του SiO 2 (29 cm 2 /Vs) Αμελητέα υστέρηση στις C-V Καλή αξιοπιστία Παρακάτω παρατίθενται στο σχήμα 1.13 τα γνωστά υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Επομένως, έχουν αρχίσει εδώ και δύο δεκαετίες να μελετώνται υλικά με υψηλή διηλεκτρική σταθερά τα οποία χρησιμοποιούνται παράλληλα με το διοξείδιο του πυριτίου σε εφαρμογές της CMOS τεχνολογίας. ΣΧΗΜΑ 1.13 Διηλεκτρική σταθερά κάποιων υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς [7] ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ MOS O ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών MOS [11] γίνεται μέσω της λήψης και ανάλυσης πειραματικών μετρήσεων Χωρητικότητας Τάσης (C-V), Χωρητικότητας Τάσης διπλής σάρωσης (C-V Double Sweep), Χωρητικότητας Συχνότητας (C-f) και Ρεύματος Τάσης (I-V). Από την ανάλυση των προαναφερθέντων πειραματικών μετρήσεων εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα και μεγέθη όπως το ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (ΕΟΤ), Η πυκνότητα των διεπιφανειακών καταστάσεων (D it), το εντοπισμένο στον όγκο του οξειδίου 18

29 σταθερό φορτίο (Q ox), το ύψος των φραγμάτων δυναμικού στις διεπιφάνειες του συστήματος (φ Β), καθώς και οι μηχανισμοί που διέπουν την αγωγιμότητα της δομής. Τα μεγέθη αυτά, σχετίζονται άμεσα με την ορθή, ή μη, ηλεκτρική απόκριση της πειραματικής δομής ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΔΟΜΗΣ Από την ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων χωρητικότητας-τάσης με παράμετρο τη συχνότητα τη υπερτιθέμενης εναλλασσόμενης τάσης εξάγονται σημαντικές πληροφοριές σχετικά με την ηλεκτρική απόκριση της δομής και τη ποιότητα του διηλεκτρικού. Οι πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν από την ανάλυση των καμπυλών αυτών συνοψίζονται παρακάτω. Αρχικά, από τη χωρητικότητα που έχει η δομή στην περιοχή συσσώρευσης και τη διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υλικού είναι δυνατόν να υπολογιστεί το πάχος του υμενίου μέσω της σχέσης Επίσης είναι πιθανό να εμφανίζεται διασπορά στην περιοχή της συσσώρευσης, δηλαδή να υπάρχουν διαφορετικές τιμές του C acc για κάθε συχνότητα. H διασπορά αυτή είναι χαρακτηριστικό των ρευμάτων διαρροής που υπάρχουν στη δομή. Όμως υπάρχει και η περίπτωση να εντοπίζεται η διασπορά στην περιοχή απογύμνωσης ως αποτέλεσμα του μεγάλου πλήθους διεπιφανειακών καταστάσεων ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ C-V ΔΙΠΛΗΣ ΣΑΡΩΣΗΣ Μία άλλη τεχνική ηλεκτρικού χαρακτηρισμού μίας δομής MOS είναι η λήψη και ανάλυση της C-V διπλής σάρωσης (Double Sweep). H δημιουργία αυτής της καμπύλης προκύπτει από τη μέτρηση της χωρητικότητας συναρτήσει της τάσης σαρώνοντας με σταθερό βήμα τις τάσεις από V έως +V και αντίστροφα από +V έως V. Έτσι δημιουργείται ένας βρόχος ο οποίος μπορεί να διαγράφεται αριστερόστροφα (οφείλεται σε έγχυση ηλεκτρονίων από το υπόστρωμα στον όγκο του οξειδίου) ή δεξιόστροφα (οφείλεται σε έγχυση οπών από το μέταλλο στον όγκο του οξειδίου ή στην παρουσία ευκίνητου φορτίου). Από το εύρος του σχηματιζόμενου βρόγχου, και μέσω της σχέσης [2] : (1.15) όπου η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας στην περιοχή συσσώρευσης και το εύρος της τάσης στο σχηματιζόμενο βρόχο είναι δυνατός ο υπολογισμός του σταθερού φορτίου του διηλεκτρικού ανά μονάδα επιφάνειας ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Ένα σημαντικό μέγεθος, κρίσιμο για την ορθή λειτουργία μίας διάταξης MOS, είναι η πυκνότητα των διεπιφανειακών καταστάσεων. Ως διεπιφανειακές καταστάσεις ορίζονται οι 19

30 ατέλειες παγίδες φορτίου που εντοπίζονται στη διεπιφάνεια μονωτικού στρώματος / ημιαγωγού. Η ποιότητα της διεπιφάνειας και το πλήθος των διεπιφανειακών καταστάσεων σχετίζονται άμεσα με την λειτουργικότητα και την ηλεκτρική απόκριση της όλης δομής. Για τον υπολογισμό της πυκνότητας διεπιφανειακών καταστάσεων χρησιμοποιούνται αρκετές μέθοδοι [2] με πιο διαδεδομένες αυτές της αγωγιμότητας (conductance method) και της Hill- Coleman. Στα επόμενα γίνεται αναφορά σε κάποιες από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους υπολογισμού των διεπιφανειακών καταστάσεων. ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ H μέθοδος της αγωγιμότητας [8] βασίζεται στην ανάλυση της απώλειας που προκαλείται από την αλλαγή του φορτίου στα επίπεδα των παγίδων. Η μέθοδος αυτή προσδιορίζει την πυκνότητα των διεπιφανειακών καταστάσεων από το διάγραμμα του λόγου της ισοδύναμης παράλληλης αγωγιμότητας προς την κυκλική συχνότητα συναρτήσει της συχνότητας. Η πυκνότητα των διεπιφανειακών καταστάσεων σε αυτή την περίπτωση δίνεται μέσω της σχέσης: (1.16) όπου το φορτίο του ηλεκτρονίου, το εμβαδόν των οπλισμών του πυκνωτή και είναι η τιμή της ποσότητας στο σημείο όπου το διάγραμμα συναρτήσει της συχνότητας παρουσιάζει μέγιστο. Σε περίπτωση που στην υπό μελέτη δομή εμφανίζονται σειριακές αντιστάσεις, υπάρχει η δυνατότητα «διόρθωσης» της ποσότητας μέσω της σχέσης: (1.17) όπου και οι μετρούμενες ποσότητες της χωρητικότητας και της αγωγιμότητας αντίστοιχα, η κυκλική συχνότητα και η τιμή της χωρητικότητας στην περιοχή συσσώρευσης (C acc). To κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ο υπολογισμός των D it απευθείας από τα πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, με τον υπολογισμό των D it μέσω της μεθόδου αγωγιμότητας σε διάφορες θερμοκρασίες, είναι δυνατή η ενεργειακή κατανομή των παγίδων στο ενεργειακό χάσμα του εκάστοτε ημιαγωγού. Σημαντικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η αδυναμία εφαρμογής της σε σύνθετους ημιαγωγούς, π.χ. ημιαγωγούς III-V, λόγω της χαμηλής τους αγωγιμότητας. 20

31 ΜΕΘΟΔΟΣ HILL-COLEMAN Μία άλλη μέθοδος για τον υπολογισμό της πυκνότητας των διεπιφανειακών καταστάσεων, είναι η μέθοδος που αναπτύχθηκε από τους Hill-Coleman [9]. O υπολογισμός των διεπιφανειακών καταστάσεων από αυτή τη μέθοδο γίνεται μέσω της καμπύλης της χωρητικότητας και της αγωγιμότητας συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης σε μία συχνότητα. Ο υπολογισμός των D it προκύπτει από εφαρμογή της σχέσης 1.18 [17] : (1.18) όπου το φορτίο του ηλεκτρονίου, το εμβαδόν των οπλισμών του πυκνωτή, η κυκλική συχνότητα, το μέγιστο που εμφανίζει η καμπύλη της αγωγιμότητας στη συχνότητα, η τιμή της χωρητικότητας στη περιοχή της συσσώρευσης (C acc), η πειραματικά μετρούμενη τιμή της χωρητικότητας για τάση ίδια με αυτή στην οποία εμφανίζεται το μέγιστο στην καμπύλη της αγωγιμότητας. 1.4 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ Η μελέτη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας λεπτών μονωτικών υμενίων παρέχει τη δυνατότητα προσδιορισμού των μηχανισμών ηλεκτρικής αγωγιμότητας οι οποίοι καθορίζουν την ηλεκτρική απόκριση των διατάξεων μετάλλου οξειδίου ημιαγωγού (MOS structures). Είναι προφανές ότι η μελέτη των μηχανισμών ηλεκτρικής αγωγιμότητας λεπτών μονωτικών υμενίων οξειδίων μετάλλων (π.χ HfO 2, ZrO 2, Al 2O 3 και Τa 2O 5) προϋποθέτει την εναπόθεση μεταλλικών ηλεκτροδίων στις επιφάνειες των μονωτικών υμενίων. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του συστήματος καθορίζεται κυρίως από την ηλεκτρική αγωγιμότητα του μονωτικού υμενίου η οποία είναι τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ηλεκτρική αγωγιμότητα των ηλεκτροδίων. Επίσης, στη διεπιφάνεια μονωτικού υμενίου-ηλεκτροδίου εμφανίζεται ένα ενεργειακό φράγμα που εκτείνεται από τη στάθμη Fermi του μετάλλου του ηλεκτροδίου έως τον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας του μονωτή με αποτέλεσμα η ηλεκτρική συμπεριφορά του συστήματος καθορίζεται από το είδος της επαφής μετάλλου-μονωτή και από τη δυνατότητα ή μη ηλεκτρικοί φορείς να μεταπηδούν από το ηλεκτρόδιο στον μονωτή [10]. Επομένως, οι μηχανισμοί ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε μονωτικά υλικά διακρίνονται σε δύο κατηγορίες [11,12]. Οι μηχανισμοί αγωγιμότητας οι οποίοι βασίζονται στις ηλεκτρικές ιδιότητες του ηλεκτροδίου ανήκουν στην πρώτη κατηγορία (electrode-limited conduction) ενώ οι μηχανισμοί ηλεκτρικής αγωγιμότητας οι οποίοι καθορίζονται από τις ιδιότητες του μονωτή ανήκουν στη δεύτερη κατηγορία (bulk-limited conduction). Οι μηχανισμοί που ανήκουν στην πρώτη κατηγορία είναι αυτοί που οφείλονται στο φαινόμενο σήραγγας (tunneling effect) και στο φαινόμενο Schottky. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν αυτοί οι 21

32 οποίοι οφείλονται στο φαινόμενο Poole-Frenkel αλλά και εκείνοι στους οποίους η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται από τη δημιουργία φορτίου χώρου (Space Charge Limited Conduction -SCLC). Η μελέτη των μηχανισμών αγωγιμότητας μονωτικών υλικών με παράμετρο την εφαρμοζόμενη τάση και τη θερμοκρασία παρέχει τη δυνατότητα εξαγωγής σημαντικών συμπερασμάτων όπως τον υπολογισμό του φράγματος δυναμικού στην διεπιφάνεια ηλεκτροδίου-μονωτή, την ενεργό μάζα των φορέων αγωγιμότητας, την πυκνότητα παγίδων στο μονωτικό υλικό, την διηλεκτρική σταθερά του μονωτικού υλικού κ.λ.π. Ακολουθεί η περιγραφή κάθε μηχανισμού ηλεκτρικής αγωγιμότητας χωριστά. O μηχανισμός Schottky Όταν σε δομές μετάλλου/διηλεκτρικού ή διηλεκτρικού/ημιαγωγού εφαρμόζεται υψηλό ηλεκτρικό πεδίο, τότε (σχήμα 1.14) το φράγμα δυναμικού του μονωτή χαμηλώνει. Επομένως, το μετρούμενο ηλεκτρικό ρεύμα οφείλεται σε θερμικά διεγειρόμενα ηλεκτρόνια, τα οποία υπερπηδούν το φράγμα δυναμικού του μονωτή και μεταβαίνουν στην ζώνη αγωγιμότητας του. Ο μηχανισμός Schottky εξαρτάται από το είδος της επαφής μετάλλου/μονωτή ή διηλεκτρικού/ημιαγωγού, δηλαδή από το φράγμα δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ των δύο αυτών υλικών. ΣΧΗΜΑ 1.14 Σχηματικό διάγραμμα για το μηχανισμό Schottky [2]. Η πυκνότητα ρεύματος J στο μηχανισμό αγωγιμότητας Schottky περιγράφεται από τη σχέση: (1.19) όπου το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο διηλεκτρικό η τιμή του φράγματος δυναμικού, η απόλυτη θερμοκρασία, η σταθερά Boltzmann, η σταθερά Richardson, η 22

33 διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υλικού, η διηλεκτρική σταθερά του κενού, το φορτίο του ηλεκτρονίου, με το πάχος του υμενίου και η σταθερά του Plank. Για να αποδοθεί ένας μηχανισμός σε μηχανισμό Schottky, πρέπει από τα πειραματικά δεδομένα, σύμφωνα με τη σχέση 1.19, να προκύπτει ευθεία γραμμή στο διάγραμμα του log(j/t 2 ) συναρτήσει του Ε 1/2. Το ύψος του φράγματος δυναμικού υπολογίζεται από την τεταγμένη της ευθείας στο διάγραμμα. Έχει παρατηρηθεί ότι αν η ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων στο διηλεκτρικό είναι μικρότερη από το πάχος του, η μαθηματική έκφραση για το μηχανισμό Schottky πρέπει να τροποποιηθεί [13] και δίδεται από τη σχέση: Eμ (1.20) όπου =3x10-4 A s/cm 3 K 3/2, η ευκινησία των ηλεκτρονίων στο διηλεκτρικό, m η μάζα του ηλεκτρονίου και η ενεργός μάζα του ηλεκτρονίου. To φαινόμενο σήραγγος Το φαινόμενο σήραγγας, (ΣΧΗΜΑ 1.15), καθορίζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα σε πολύ λεπτά διηλεκτρικά υμένια (της τάξεως των 5nm). ΣΧΗΜΑ 1.15 Σχηματική αναπαράσταση του φαινομένου σήραγγος [2]. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα που εμφανίζεται οφείλεται διέλευση των ηλεκτρονίων από το ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο στο άλλο διαπερνώντας το φράγμα δυναμικού του μονωτή, το οποίο λόγω του μικρού πάχους του μονωτή έχει πολύ μικρό εύρος ΔS. Ο μηχανισμός αυτός εμφανίζει πολύ ισχυρή εξάρτηση από το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο αλλά είναι ανεξάρτητος από τη θερμοκρασία. 23

34 Το φαινόμενο σήραγγας εμφανίζεται σε δύο μορφές οι οποίες συνδέονται με την ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Η πυκνότητα ρεύματος περιγράφεται μέσω των σχέσεων 1.21 και 1.22: (1.21) (1.22) όπου το πεδίο μέσα στον μονωτή, το εύρος του φράγματος δυναμικού στο ύψος της στάθμης Fermi του αρνητικά πολωμένου ηλεκτροδίου, η σταθερά του Plank, το φορτίο του ηλεκτρονίου, η τιμή του φράγματος δυναμικού και η μάζα του ηλεκτρονίου. Στην πρώτη περίπτωση το εύρος του φράγματος δυναμικού είναι ίσο με την απόσταση των δύο μεταλλικών ηλεκτροδίων ενώ στη δεύτερη, το φράγμα δυναμικού γίνεται μικρότερο από την απόσταση των δύο ηλεκτροδίων και έτσι οι φορείς διαπερνούν τμήμα του φράγματος δυναμικού, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.16 [14,15]. Για τον διαχωρισμό των δύο μηχανισμών ο δεύτερος ονομάζεται μηχανισμός Fowler-Nordheim. ΣΧΗΜΑ 1.16 Σχηματικό διάγραμμα για το μηχανισμό Fowler-Nordheim [2]. Η μελέτη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μέσω του φαινομένου σήραγγας πραγματοποιείται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Σ αυτή τη χαμηλή θερμοκρασία, η θερμιονική εκπομπή περιορίζεται και το ρεύμα σήραγγας κυριαρχεί. Κατά τη μέτρηση της πυκνότητας ρεύματος J συναρτήσει του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, προκύπτει 24

35 ευθεία γραμμή στο διάγραμμα του ln(j/e 2 ) συναρτήσει του 1/Ε. Από την κλίση του διαγράμματος που δίνεται από τη σχέση: (1.23) είναι δυνατόν να υπολογιστεί το ύψος του φράγματος δυναμικού [16]. Το φαινόμενο Poole-Frenkel Ο μηχανισμός Poole Frenkel είναι το αντίστοιχο του μηχανισμού Schottky αλλά στον όγκο του διηλεκτρικού (bulk). Θεωρώντας ένα ηλεκτρόνιο σε ένα κέντρο παγίδευσης, η δυναμική ενέργεια Coulomb στο εσωτερικό του διηλεκτρικού μπορεί να μειωθεί εξαιτίας ενός εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος του διηλεκτρικού υμενίου. Η μείωση στη δυναμική ενέργεια μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα ένα ηλεκτρόνιο να διεγερθεί θερμικά και να μεταβεί στη ζώνη αγωγιμότητας του διηλεκτρικού. Το ενεργειακό διάγραμμα για το μηχανισμό Poole-Frenkel (P-F) φαίνεται στο σχήμα Η πυκνότητα ρεύματος δίνεται από την παρακάτω σχέση: (1.24) όπου είναι η ευκινησία των ηλεκτρονίων διάχυσης, είναι η πυκνότητα των καταστάσεων στη ζώνη αγωγιμότητας, το ενεργειακό επίπεδο της παγίδας, η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υλικού, η διηλεκτρική σταθερά του κενού, το φορτίο του ηλεκτρονίου. Όπως είναι εύκολα αντιληπτό, ο μηχανισμός Poole-Frenkel μοιάζει αρκετά με το μηχανισμό Schottky καθώς η θερμική διέγερση των ηλεκτρονίων μπορεί να γίνει από τις παγίδες μέσα στη ζώνη αγωγιμότητας του διηλεκτρικού. Από τη στιγμή που ο μηχανισμός P-F οφείλεται σε θερμική διέγερση υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου (Σχήμα 1.17), αυτός ο μηχανισμός αγωγιμότητας παρατηρείται συνήθως σε υψηλή θερμοκρασία και μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο. Για το μηχανισμό P-F η γραφική παράσταση του ln(j/e) συναρτήσει του E 1/2 είναι γραμμική. Το ύψος του φράγματος της παγίδας μπορεί να εξαχθεί από την τεταγμένη αυτής της γραφικής. Επίσης από την κλίση της γραφικής είναι δυνατόν να υπολογιστεί η διηλεκτρική σταθερά ε r στα διηλεκτρικά υμένια. Εκτός από τα δύο παραπάνω μεγέθη είναι δυνατόν να εξαχθεί και η ευκινησία των φορέων. Έχει αποδειχθεί ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από τα κέντρα δοτών. Αν υπάρχουν άλλες ατέλειες όπως παγίδες ή κέντρα αποδεκτών στα διηλεκτρικά υμένια, ο αριθμός των ελευθέρων ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από το κέντρα δοτών θα μειωθεί. Η ύπαρξη των παγίδων μπορεί να επηρεάσει τη σχέση μεταξύ του ρεύματος και του ηλεκτρικού πεδίου. Κατά συνέπεια, ο μηχανισμός P-F εξαρτάται από τη συγκέντρωση των παγίδων (Ν t) και των δοτών (N d). Όταν Ν t<n d, ο μηχανισμός αγωγιμότητας καλείται κανονικός 25

36 μηχανισμός P-F [17]. Όταν Ν t=n d ο μηχανισμός αγωγιμότητας καλείται τροποποιημένος μηχανισμός P-F ή ανώμαλο φαινόμενο Poole-Frenkel. Σε τέτοια περίπτωση η κλίση μειώνεται στο μισό και ισούται με την κλίση του διαγράμματος Schottky. Για να ξεχωρίσουμε το μηχανισμό Schottky από τον τροποποιημένο μηχανισμό P-F, πρέπει να χρησιμοποιηθούν διαφορετικά υλικά για ηλεκτρόδια. ΣΧΗΜΑ 1.17 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών για ένα μηχανισμό Poole-Frenkel σε μία δομή MIS [11]. Επίσης, υπάρχει η περίπτωση μεταφοράς ηλεκτρονίων από τη μια παγίδα στην άλλη μ ένα μηχανισμό που είναι συνδυασμός του φαινομένου Poole-Frenkel και του φαινομένου σήραγγος. Δηλαδή με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου χαμηλώνει το φράγμα δυναμικού μεταξύ των παγίδων και ταυτόχρονα μειώνεται το εύρος του έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να έχουν την πιθανότητα να το διαπεράσουν λόγω του φαινομένου σήραγγος [18]. Αυτός ο μηχανισμός καλείται μηχανισμός μεταφοράς με τη διαδικασία αλμάτων και απεικονίζεται στο σχήμα

37 ΣΧΗΜΑ 1.18 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών για ένα μηχανισμό μεταφοράς μέσω αλμάτων σε μία δομή MIS [11]. O Ωμικός μηχανισμός Η ωμική αγωγιμότητα προκαλείται από τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας και των οπών στη ζώνη σθένους. Σ αυτό το μηχανισμό υπάρχει μία γραμμική σχέση μεταξύ της πυκνότητας ρεύματος και του ηλεκτρικού πεδίου. Στο σχήμα 1.19 φαίνεται το αντίστοιχο διάγραμμα ενεργειακών ζωνών. Παρόλο που το ενεργειακό χάσμα των διηλεκτρικών είναι εξ ορισμού μεγάλο, θα υπάρχει ακόμα ένας μικρός αριθμός φορέων τα οποία δημιουργούνται εξαιτίας της θερμικής διέγερσης. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια μπορούν να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας είτε από τη ζώνη σθένους είτε από τα επίπεδα των ατελειών. Ο αριθμός των φορέων θα είναι μικρός αλλά όχι μηδενικός. Η πυκνότητα του ρεύματος για την ωμική αγωγιμότητα εκφράζεται ως: (1.25) όπου η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η κινητικότητα των ηλεκτρονίων, η ενεργός πυκνότητα καταστάσεων στη ζώνη αγωγιμότητας, το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το φορτίο του ηλεκτρονίου, η ενέργεια ενεργοποίησης των ηλεκτρονίων, η σταθερά του Boltzman και η απόλυτη θερμοκρασία. 27

38 ΣΧΗΜΑ 1.19 Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών για την ωμική αγωγιμότητα σε μία δομή MIS [11]. Επειδή το ενεργειακό χάσμα ενός διηλεκτρικού είναι πολύ μεγάλο, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το επίπεδο Fermi είναι κοντά στο μισό του ενεργειακού χάσματος έτσι ώστε. Κατά συνέπεια, η πυκνότητα ρεύματος δίνεται από τη σχέση: (1.26) Η τάξη μεγέθους του ρεύματος είναι πολύ μικρή. Αυτού του είδους ο μηχανισμός εντοπίζεται σε πολύ χαμηλές τάσεις στη χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης (I-V). Ο μηχανισμός space charge limited (SCL) Ο μηχανισμός αγωγιμότητας φορτίου χώρου (space-charged-limited) [19] περιγράφει τη μεταφορά φορτίου σ ένα υλικό χαμηλής αγωγιμότητας όπου η συγκέντρωσή του εγχυόμενου φορτίου είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του αρχικού φορτίου με αποτέλεσμα τη δημιουργία φορτίου χώρου στο υλικό. Σε χαμηλές τάσεις, δεν παρατηρείται αυτός ο μηχανισμός και κυριαρχεί ο Ωμικός μηχανισμός εξαιτίας της παρουσίας θερμικά διεγειρόμενων φορέων. Όταν η τάση γίνει αρκετά μεγάλη, αρχίζει να εμφανίζεται ο μηχανισμός SCL. Στην περίπτωση στην οποία υπάρχουν παγίδες στο υλικό, κυριαρχεί ένας ελεγχόμενος από παγίδες μηχανισμός φορτίου χώρου (trap controlled SCL). Κατά συνέπεια, το ρεύμα παρουσιάζει μία δυναμική εξάρτηση από την τάση, με Α>2 [20], το οποίο αντιστοιχεί σε εκθετική κατανομή των παγίδων [21]. Η εκθετική, λοιπόν, κατανομή των 28

39 παγίδων υπαγορεύει αυτή τη δυναμική εξάρτηση της πυκνότητας ρεύματος από την τάση, η οποία δίνεται από τη σχέση [22] : (1.27) όπου το φορτίο του ηλεκτρονίου, η κινητικότητα των φορέων, η πυκνότητα των καταστάσεων στη ζώνη σθένους, η σχετική διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού, η διηλεκτρική σταθερά του κενού, η συνολική πυκνότητα των παγίδων, η εφαρμοζόμενη τάση, το πάχος του διηλεκτρικού υμενίου και ένας εκθετικός παράγοντας που εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Βέβαια υπάρχει σημαντική διαφορά σ ένα υλικό αν οι παγίδες είναι αβαθείς ή βαθιές. Μία παγίδα σ ένα ενεργειακό επίπεδο Ε t είναι αβαθής αν το επίπεδο Fermi είναι κάτω από E t. Σε μια περιοχή στην οποία κυριαρχούν αβαθείς παγίδες, η συγκέντρωση των παγιδευμένων φορέων είναι πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων. Στην περίπτωση των βαθέων παγίδων, το επίπεδο E t κείτεται κάτω από το επίπεδo Fermi. Αυξανομένης της τάσης περαιτέρω, περισσότερα ηλεκτρόνια διαχέονται κι επομένως αυτά τα ηλεκτρόνια καλύπτουν όλες τις παγίδες στο υλικό με αποτέλεσμα το ρεύμα να αυξάνεται απότομα. Μετά από αυτή την πολύ απότομη αύξηση στο ρεύμα, η σχέση του ρεύματος με την τάση εκφράζεται μέσα από την έκφραση κι επομένως ο η αγωγιμότητα αποδίδεται σε φορτίο χώρου χωρίς παγίδες (trap free SCL). Στην περίπτωση αυτή, η ακριβής σχέση που συνδέει το ρεύμα με την τάση είναι: (1.28) όπου η σχετική διηλεκτρική σταθερά, η διηλεκτρική σταθερά του κενού, η κινητικότητα των φορέων, η εφαρμοζόμενη τάση και το πάχος του διηλεκτρικού υμενίου. Η σχέση 1.29 είναι γνωστή και ως ο νόμος του τετραγώνου Mott-Gurney και νόμος του Child για τα στερεά. Η μετάβαση από το μηχανισμό που ελέγχεται από παγίδες στο μηχανισμό χωρίς παγίδες γίνεται σε τάση V TFL (trap filled limited) η οποία δίνεται από τη σχέση: (1.29) Καταλήγοντας, στο σχήμα 1.20 παρατίθεται μια συνολική εικόνα για τους επιμέρους μηχανισμούς που περιλαμβάνονται στο space-charged-limited, δηλαδή η ωμική αγωγιμότητα, ο ελεγχόμενος από παγίδες μηχανισμός φορτίου χώρου και η αγωγιμότητα φορτίου χώρου χωρίς παγίδες. 29

40 ΣΧΗΜΑ 1.20 Χαρακτηριστική ρεύματος τάσης για μηχανισμό SCL [19] ΙΟΝΤΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ Η ιοντική αγωγιμότητα αναφέρεται στην αγωγιμότητα που οφείλεται στην κίνηση ιόντων μέσα στο υλικό. Η κίνηση των ιόντων πραγματοποιείται με τη διαδικασία των αλμάτων. Η εφαρμογή πεδίου, όπως είναι αναμενόμενο, ευνοεί την διαδικασία αλμάτων προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου πεδίου [23] και εμποδίζει παράλληλα τα άλματα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αποτέλεσμα αυτού είναι η πυκνότητα ρεύματος J να είναι ανάλογη της διαφοράς των πιθανοτήτων άλματος προς τη μια και προς την άλλη κατεύθυνση. Στο σχήμα 1.21 παρουσιάζεται το διάγραμμα ενεργειακών ζωνών που περιγράφει τον μηχανισμό της ιοντικής αγωγιμότητας. Το ρεύμα λόγω της ιοντική αγωγιμότητας δίνεται από τη σχέση: (1.30) όπου είναι η σταθερά αναλογίας, είναι το ύψος του φράγματος δυναμικού, το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, ο χώρος μεταξύ δύο γειτονικών σημείων που μετακινείται το ιόν, η σταθερά του Boltzman και η απόλυτη θερμοκρασία. Επειδή η μάζα των ιόντων είναι αρκετά μεγάλη, ο μηχανισμός αυτός δεν παίζει ρόλο σε εφαρμογές των διηλεκτρικών στην τεχνολογία CMOS. 30

41 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 1.21 Ενεργειακό διάγραμμα για την ιοντική αγωγιμότητα (α) χωρίς την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου και (β) με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου [11]. Ο πίνακας 1 [1] δίνει αναλυτικά και συγκεντρωτικά τις εκφράσεις της πυκνότητας ρεύματος για όλους τους μηχανισμούς αγωγιμότητας που εμφανίζονται στους μονωτές καθώς και την εξάρτηση που εμφανίζουν από την εφαρμοζόμενη τάση και τη θερμοκρασία. Πίνακας 1: Βασικοί μηχανισμοί αγωγιμότητας σε μονωτές ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΕΚΦΡΑΣΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ V KAI T Schottky Poole Frenkel Tunneling Fowler Nordheim Space charge limited Ohmic Ionic 31

42 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] S. M. Sze and M. K. Lee Semiconductor Devices Physics and Technology 3 rd edition, John Wiley & Sons, Inc, New York, NY (2012) [2] Μ..Α. Μποτζακάκη, Διδακτορική διατριβή: Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς σε δομές MOSp-Ge (2015) [3] E. H. Nicollian and J. R. Brews, MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology, Wiley-Inter science, New York (1982) [4] D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, Wiley, NewYork, (2006) [5] V. Gray and D.M. Brown, Density of SiO2-Si Interface States, Appl. Phys. Lett. 8, (1966) [6] D. M. Fleetwood, Long-term Annealing Study of Midgap Interface-trap Charge Neutrality, Appl. Phys. Lett., (1992) [7] G. Brezeanu, M. Brezeanu, F. Bernea High- K Dielectrics in Nano& Microelectronics, Micro- and nanoengineering series, Vol. 19, pp (2011) [8] R. Engel-Herbert, Y. Hwang, and S. Stemmer J. Appl. Phys. 108, (2010) [9] W. A Hill and C. C. Colleman, Solid State Electronics, 23, p. 987 (1973) [10] Σ. Ν. Γεωργά, Μελέτη της Μεταβατικής Ηλεκτρικής Αγωγιμότητας Λεπτών Υμενίων Ιωδιούχου Καλλίου, Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα (1985) [11] L. I. Maissel and R. Glang, Handbook of thin film technology, McGraw-Hill (1970) [12] F. C. Chiu, Advances in Materials Science and Εngineering, Article ID (2014) [13] J. G. Simmons, Richardson-schottky effect in solids, Physical Review Letters, vol. 15, no. 25, pp (1965) [14] S. Toumi et al., Solid-State Electronics 122, (2016) [15] F. C. Chiu, Interface characterization and carrier transportation in metal/ HfO2/silicon structure, Journal of Applied Physics, vol. 100, no. 11 (2006) [16] R. L. Angle and H. E. Talley, Electricaland charge storage characteristics of the tantalum oxide-silicon dioxide device, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 25, no. 11, pp (1978) [17] F. C. Chiu, W. C. Shih, and J. J. Feng, Conduction mechanism of resistive switching films in MgO memory devices, Journal of Applied Physics, vol. 111, no. 9 (2012) [18] F. C. Chiu, H. W.Chou and J.Y.-M.Lee, Electrical conduction mechanisms of metal La 2 O 3 Si structure, Journal of Applied Physics, vol. 97, no. 10 (2005) [19] S. Takeshita, Διδακτορική Διατριβη: Modeling of space charge limited current injection incorporating an advanced model of poole frenkel effect (2008) [20] V. Martinez et al., Microelectronic Engineering 84, (2007) 32

43 [21] B. T. Phan, T. Choi and J. Lee, Integrated Ferroelectrics, 96, (2008) [22] A. S. Sarkar and S. K. Pal, J. Phys. D: Appl. Phys. 48, (2015) [23] J. Y. M. Lee, F. C. Chiu, and P. C. Juan, The application of high- dielectric-constant and ferroelectric thin filmsin integrated circuit technology, in Handbook of Nanoceramics and Their Based Nanodevices, T. Y. Tseng and H. S. Nalwa, Eds., Vol. 4, American Scientic Publishers, Stevenson Ranch, Calif, USA (2009) 33

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία η οποία ακολουθήθηκε για την ανάπτυξη και παρασκευή των δομών που μελετήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δομές MOS, ημιαγώγιμου υποστρώματος πυριτίου τύπου p (p-si), πάνω στις οποίες εναποτέθηκαν, σε απευθείας επαφή με το πυρίτιο, το πεντοξείδιο του ταντάλου μέσω της τεχνικής της Εναπόθεσης Ατομικού Στρώματος (ALD-Atomic Layer Deposition). Το διηλεκτρικό στρώμα του Ta 2O 5 αναπτύχθηκε στους 300 ο C ενώ ως ηλεκτρόδιο πύλης χρησιμοποιήθηκε το Aλουμίνιο (Al), το οποίο εναποτέθηκε με τη μέθοδο της ιοντοβολής (Sputtering). 2.1 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΩΝ Το Si είναι ένα στοιχείο που έχει την τάση να αναπτύσσει γρήγορα και εύκολα, ακόμα και στον ατμοσφαιρικό αέρα, το αυτοαναπτυσσόμενο οξείδιο του (native oxide, SiO x). Η απομάκρυνση του μη επιθυμητού αυτού οξειδίου, πραγματοποιείται, πριν την εισαγωγή των υποστρωμάτων στο θάλαμο, αντιδράσεων του συστήματος ALD, μέσω χημικού καθαρισμού. Για τον καθαρισμό των υποστρωμάτων, η χημική μέθοδος καθαρισμού που χρησιμοποιήθηκε παρουσιάζεται συνοπτικά παρακάτω: Στο πρώτο στάδιο, τα υποστρώματα εμβαπτίστηκαν για 15 min σε διάλυμα «πιράνχα» [1] (H 2O 4και H 2O 2 με αναλογίες 1:1). Η οξειδωτική του ισχύς οφείλεται στο σχηματιζόμενο υπεροξομονοθειικό οξύ, γνωστό και ως οξύ του Caro, το οποίο διασπάται παρέχοντας το δραστικότατο ατομικό οξυγόνο: H 2SO 4 + H 2O 2 H 2SO 5 (οξύ του Caro) + H 2O H 2SO 5 H 2SO 4 + [O] Σε επόμενο στάδιο, τα υποστρώματα εισάγονται σε δοχείο με τρεχούμενο απιονισμένο νερό (DI) αγωγιμότητας 18.2ΜΩcmγια χρονικό διάστημα ~7min. Έπειτα, τα υποστρώματα εμβαπτίζονται σε διάλυμα ΗF (2% v/v) για 1 min. Μετά το πέρας του 1 min, τοποθετούνται τα υποστρώματα πάλι σε τρεχούμενο απιονισμένο-υπερκάθαρο νερό (DI) για χρονικό διάστημα ~20min. Το απιονισμένο νερό, με ειδική αντίσταση 18.2ΜΩcm λαμβάνεται από το σύστημα καθαρισμού νερού, Direct-Q 3 System της εταιρείας Merck. Ένδειξη της επιτυχούς 34

45 απομάκρυνσης του αυτοαναπτυσσόμενου οξειδίου είναι η μετατροπή της επιφάνειας τουυποστρώματος από υδρόφιλη σε υδρόφοβη. Τέλος, για να στεγνώσουν τα υποστρώματα έτσι ώστε να είναι έτοιμα για την εναπόθεση, ψεκάζονται με αέριο άζωτο. 2.2 Η ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ(ALD) Η τεχνική της εναπόθεσης ατομικού στρώματος(αld) [2] είναι μία σύγχρονη τεχνική που χρησιμοποιείται ευρέως για την εναπόθεση διηλεκτρικών στρωμάτων στο τομέα της μικροηλεκτρονικής. Μία τυπική διάταξη (Σχήμα 2.1) εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD) αποτελείται από ένα θάλαμο αντιδράσεων μέσα στον οποίο τοποθετούνται τα υποστρώματα και λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις σχηματισμού των υμενίων. Επίσης, στη διάταξη υπάρχει αντλία κενού η οποία εξασφαλίζει το απαραίτητο κενό στο θάλαμο των αντιδράσεων, δοχεία με τις πρόδρομες ενώσεις(precursors) καθώς και φιάλες με αδρανές αέριο συνδεδεμένες με το θάλαμο. Επιπλέον, απαιτείται σύστημα ελέγχου του χρόνου ανοίγματος-κλεισίματος βαλβίδων, καθώς και σύστημα θέρμανσης των δοχείων με τις πρόδρομες ενώσεις. Τα υποστρώματα τοποθετούνται στο θάλαμο αντιδράσεων όπου εισέρχονται διαδοχικά τα μόρια των πρόδρομων ενώσεων, τα οποία αντιδρούν στην επιφάνεια του υποστρώματος και δημιουργούν το εκάστοτε επιθυμητό διηλεκτρικό υμένιο. (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.1 (a) Διάταξη ALD Savannah-100 Cambridge Nanotech και (β) το εσωτερικό της διάταξη. 35

46 Η διαδικασία της εναπόθεσης με τη μέθοδο ALD ολοκληρώνεται σε διαδοχικούς κύκλους καθένας από τους οποίους αποτελείται από τέσσερα βήματα (Σχήμα 2.2) [3]. Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει την έκθεση του υποστρώματος στον «παλμό» της πρώτης πρόδρομης ένωσης (συνήθως νερό) με σκοπό την πλήρη επικάλυψη του υποστρώματος με υδρατμούς. Το δεύτερο βήμα του κύκλου εναπόθεσης περιλαμβάνει την απομάκρυνση των μορίων των υδρατμών με την είσοδο αδρανούς ή ευγενούς αερίου (κυρίως N 2). Στο τρίτο βήμα γίνεται έκθεση του υποστρώματος στον «παλμό» της δεύτερης πρόδρομης ένωσης με σκοπό να αντιδράσουν τα μόρια της ένωσης με υδρατμούς. Στο τέταρτο και τελευταίο βήμα εισάγεται και πάλι το αδρανές αέριο στο θάλαμο των αντιδράσεων, το οποίο απομακρύνει τα παραπροϊόντα των αντιδράσεων και τα μόρια της δεύτερης πρόδρομης ένωσης που δεν αντέδρασαν κατά το τρίτο βήμα. Έτσι, σε κάθε κύκλο δημιουργείται ένα ατομικό επίπεδο και το επιθυμητό πάχος του διηλεκτρικού προκύπτει μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους. ΣΧΗΜΑ 2.2 Σχηματικό διάγραμμα ενός κύκλου εναπόθεσης μέσω της τεχνικής ALD [4]. Τα πλεονεκτήματα αυτής της τεχνικής οφείλονται κυρίως στο γεγονός ότι η εναπόθεση πραγματοποιείται ανά ατομικό στρώμα, δηλαδή είναι μία επιταξιακή μέθοδος. Το επιθυμητό πάχος του διηλεκτρικού επιτυγχάνεται μέσω επαναλαμβανόμενων κύκλων εναπόθεσης. Έτσι, υπάρχει απόλυτως έλεγχος του πάχους, σε ατομική κλίμακα, καθώς ο κάθε κύκλος εναποθέτει ~1 ατομικό ατρώμα του επιθυμητού υλικού. Επιπλέον, λόγω της φύσης 36

47 της εναπόθεσης, εξασφαλίζεται ελαχιστοποίηση των προσμίξεων μέσω της απομάκρυνσης των παραπροϊόντων που προκύπτουν από τις αντιδράσεις των πρόδρομων ενώσεων για τη δημιουργία του υμενίου. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής, έναντι άλλων μεθόδων εναπόθεσης, είναι η δυνατότητα παρασκευής υμενίων σε χαμηλές θερμοκρασίες (πχ. 80 ο C). Έτσι η εναπόθεση μπορεί να λάβει χώρα ακόμα και σε υποστρώματα των οποίων η έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες καθίσταται απαγορευτική (π.χ. υποστρώματα πολυμερικών και οργανικών υλικών). Επίσης, με το ALD είναι δυνατή η ανάπτυξη διηλεκτρικών σε παραπάνω από ένα υποστρώματα, καθώς και πολυστρωματικών δομών, δηλαδή παραπάνω από ένα διηλεκτρικό σε ένα υπόστρωμα. Οι δομές αυτές ονομάζονται nanolaminates, και χρησιμοποιούνται για να βελτιώσουν τις ηλεκτρικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες των υμένιων. Το βασικότερο μειονέκτημα της τεχνικής είναι ο, σχετικά με άλλες μεθόδους, μικρός ρυθμός ανάπτυξης των υλικών. Έτσι η τεχνική αυτή δεν ενδείκνυται για μεγάλα πάχη διηλεκτρικών. Το ALD [5] χρησιμοποιείται κατά κόρον για την εναπόθεση υμενίων από ένα ευρύ φάσμα υλικών που περιλαμβάνει οξείδια μετάλλων, νιτρίδια, σουλφίδια και πιο σπάνια σελενίδια και τελουρίδια [6]. Επίσης, χρησιμοποιείται για την εναπόθεση μετάλλων όπως Cu, Ptκαι Au, όπου κυρίως χρησιμοποιείται πλάσμα σαν οξειδωτικό μέσο [7,8]. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα εναπόθεσης μοριακών στρωμάτων (MLD-Molecular Layer Deposition [9] ) όπως λεπτά οργανικά υμένια και υβριδικά οργανικά-ανόργανα υμένια. Ένας τρόπος κατηγοριοποίησης των πρόδρομων ενώσεων για το ALD είναι η διάκριση τους σε μεταλλικές και μη μεταλλικές. Η μεταλλική πρόδρομη ένωση είναι ένα μόριο το οποίο περιέχει ένα δεσμό μετάλλων ατόμου τα οποία συνδέονται μέσω τυπικών οργανικών ομάδων, όπως το μεθύλιο στο TMA (trymethylalluminium), ή τα αλογονοειδή (όπως το Clστο TiCl 4). Στην εναπόθεση των μεταλλικών οξειδίων, η δεύτερη πρόδρομη ένωση, η οποία έχει τον ρόλο του οξειδωτικού μέσου, είναι συνήθως το νερό στην μορφή των υδρατμών. Σε περιπτώσεις εναπόθεσης νιτριδίων, σουλφιδίων ή καρβιδίων, η δεύτερη πρόδρομη ένωση μπορεί να είναι ακόμα και το H 2S, NH 3και CH 4. Οι πρόδρομες ενώσεις μπορεί να είναι αέρια, υγρά ή ακόμα και στερεά. Απαραίτητο κριτήριο είναι η επαρκής πίεση, η οποία στην περίπτωση των στερεών και των υγρών απαιτεί τη θέρμανση της πηγής της πρόδρομης ένωσης. Επιπλέον, οι πρόδρομες ενώσεις πρέπει να είναι θερμικά σταθερές στη θερμοκρασία εναπόθεσης. Οι επιφανειακές αντιδράσεις μεταξύ των πρόδρομων ενώσεων πρέπει να είναι τέλειες και τα παραπροϊόντα των αντιδράσεων πρέπει να είναι ανενεργά και να απομακρύνονται εύκολα [8]. Mία επιτυχημένη εναπόθεση εξαρτάται από τη χημική συμπεριφορά των πρόδρομων ενώσεων στην επιφάνεια του υποστρώματος. Τα αντιδρώντα πρέπει να προσροφόνται από την επιφάνεια και η αντίδραση πρέπει να είναι μη αναστρέψιμη. Η απορρόφηση καθορίζεται από την αλληλεπίδραση των απορροφούμενων ειδών και της επιφάνειας. Στη φυσική 37

48 απορρόφηση (physisorption), δημιουργείται ένας αδύναμος δεσμός μεταξύ της επιφάνειας και των ενώσεων εξαιτίας δυνάμεων van der Waals όπου δεν προκαλούνται δομικές αλλαγές. Στη χημική απορρόφηση (chemisorption) η ηλεκτρονική δομή του μορίου αλλάζει και ένας ισχυρός ομοιοπολικός ή ιοντικός δεσμός αναπτύσσεται μεταξύ της επιφάνειας και των απορροφούμενων ενώσεων. Η φυσική απορρόφηση μπορεί να παίξει ένα ρόλο στην αρχική πυρηνοποίηση των επιφανειών, αλλά γενικά οι επιφανειακές αντιδράσεις βασίζονται στη χημική απορρόφηση [10]. Οι διαφορετικοί μηχανισμοί για τη χημική απορρόφηση είναι: α) η ανταλλαγή σύνδεσης (ligand exchange) όπου το μόριο στην επιφάνεια συνδέεται μ αυτή ανταλλάσσοντας ένα μέρος του μορίου με μία χημική ομάδα της επιφάνειας, β) η αποσύνδεση (dissociation) όπου κομμάτια των μορίων ακουμπούν στην επιφάνεια και γ) η σύνδεση (association) όπου το ακέραιο μόριο δημιουργεί δεσμό με την επιφάνεια. Η απορρόφηση στην επιφάνεια συμβαίνει είτε μέσω ενός μηχανισμού είτε μέσω συνδυασμού των προηγούμενων [11]. Σημειώνεται ότι η χημική απορρόφηση είναι δυνατή μόνο παρουσία ενεργών χημικών θέσεων στην επιφάνεια, όπως οι ενώσεις ΟΗ και ΝΗ x για οξείδια και νιτρίδια αντίστοιχα. Μια πολύ σημαντική παράμετρος για την εναπόθεση υμενίων με την τεχνική αυτή είναι ο ρυθμός ανάπτυξης του υμενίου ανά κύκλο εναπόθεσης (growth per cycle-gpc) ο οποίος εκφράζεται σε nm ή σε Å ανά κύκλο. Με βάση το GPC, μπορεί να επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος του υμενίου εφαρμόζοντας επαναλαμβανόμενους κύκλους εναπόθεσης. O ρυθμός εναπόθεσης ανά κύκλο εξαρτάται από τη θερμοκρασία εναπόθεσης, το υλικό του υποστρώματος και τις πρόδρομες ενώσεις που χρησιμοποιούνται [12]. Ο σημαντικότερος, βέβαια, παράγοντας για μία επιτυχή εναπόθεση μ αυτή την τεχνική είναι το παράθυρο ALD (ALD window), το οποίο αναφέρεται στο θερμοκρασιακό εύρος που απαιτείται για μία ίδανική εναπόθεση. Μία ιδανική εναπόθεση χαρακτηρίζεται από μία πλήρη χημική προσρόφηση των πρόδρομων ενώσεων στην επιφάνεια του υποστρώματος.σε θερμοκρασίες εκτός του παραθύρου ALD, οι πρόδρομες ενώσεις μπορεί να συμπυκνώνονται στην επιφάνεια με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η απομάκρυνση των μορίων που δεν έχουν αντιδράσει [13] ή να διασπώνται κατά τη διάρκεια ανάπτυξης των υμενίων. Καταλήγοντας, λοιπόν, πρέπει να επισημανθεί ότι η ενέργεια για τις επιφανειακές αντιδράσεις παρέχεται από τη θέρμανση του θαλάμου εναπόθεσης και του υποστρώματος. Τα συστήματα ALD όπου οι αντιδράσεις υποβοηθώνται με διαφορετικό, από τη θερμότητα, τρόπο ονομάζονται energy-enhanced ALD. Αυτή η κατηγορία συστημάτων ALD χρησιμοποιεί όζον (Ο 3), φωτόνια ή πλάσμα στις αντιδράσεις [14]. 38

49 2.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Ta 2 O 5 Από τα υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, το πεντοξείδιο του ταντάλου (Ta 2O 5) είναι ένα από τα πλέον υποσχόμενα εξαιτίας της υψηλής διηλεκτρικής του σταθεράς (22-60), των χαμηλών ρευμάτων διαρροής, της καλής διηλεκτρικής δύναμης κατάρρευσης,της θερμικής και χημικής σταθερότητας και άλλων ιδιοτήτων [14,15,16,17,18]. Εξαιτίας της μεγάλης τεχνολογικής του σημασίας, έχει προταθεί ένας αριθμός τεχνικών εναπόθεσης λεπτών υμενίων του Ta 2O 5, στις οποίες συμπεριλαμβάνονται τεχνικές χημικής εναπόθεσης ατμών (Chemical Vapor Deposition-CVD) και φυσικής εναπόθεσης ατμών (Physical Vapor Deposition-PVD) [15,16,17,19,20,21,22]. Το ALD όμως, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, έχει κυριαρχήσει στον τομέα της εναπόθεσης διηλεκτρικών υλικών για εφαρμογές στη μικροηλεκτρονική. Πρόδρομες ενώσεις, όπως τα Ta(OC 2H 5) 5, Ta(OCH 3) 5, Ta(N(CH 3) 2) 5, Ta(thd) 4Cl και TaCl 5 έχουν μελετηθεί για την παρασκευή λεπτών υμενίων Ta 2O 5 μέσω ALD και CVD μεθόδων [15,20,22]. Καθώς τα μεταλλικά χλωρίδια, συμπεριλαμβανομένων του TaCl 5, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως πρόδρομες ενώσεις εξαιτίας της εξαιρετικής θερμικής σταθερότητάς τους, υπάρχει τάση στρέψης και έρευνας για χρήση μεταλοργανικών πρόδρομων ενώσεων-χωρίς αλογόνα- έτσι ώστε να αποφευχθεί ο σχηματισμός διαβρωτικών παραπροϊόντων αλογονoειδών υδρογόνου κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του υμενίου. Επιπλέον, οι ρυθμοί ανάπτυξης του Ta 2O 5από το TaCl 5και H 2O μειώνονται στους 280 ο C [23]. Τα υμένιαta 2O 5 που εναποτίθενται χρησιμοποιώντας ως πρόδρομη ένωση αλκοξείδια του ταντάλου έχουν σχετικά υψηλά επίπεδα προσμείξεων άνθρακα συγκρινόμενα με τα υμένια που αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας χλωρίδια ως πρόδρομες ενώσεις. Υμένια Ta 2O 5 με πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις άνθρακα μπορούν να αναπτυχθούν από Ta(OC 2H 5) [24] 5. Επίσης, η χρήση της πρόδρομης ένωσης Ta(N(CH 3) 2) 5 οδηγεί στην παραγωγή υμενίων Ta 2O 5 πολύ καλής ποιότητας [25,26]. Το νερό αποτελεί το πλέον χρησιμοποιούμενο οξειδωτικό μέσο για το ALD. Όμως, αφού το νερό τείνει να απορροφάται με φυσικό τρόπο ισχυρά σε επιφάνειες ο χρόνος για την απομάκρυνση του φυσικά απορροφημένου νερού από την επιφάνεια του αντιδραστήρα μπορεί να είναι μεγάλος, ειδικά στις χαμηλές θερμοκρασίες [27]. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα οξείδια που προέρχονται από εναποθέσεις μέσω PEALD παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες όπως υψηλή πυκνότητα, υψηλό ρυθμό ανάπτυξης, χαμηλό ΕΟΤ και χαμηλά ρεύματα διαρροής συγκρινόμενα με το συμβατικό ALD [28,29]. Αντίστοιχα για το Τa 2O 5από το PECVD έχουν παρατηρηθεί ιδιαίτερα χαμηλά ρεύματα διαρροής [30]. Παρόλα αυτά το PEALD δεν έχει αξιοποιηθεί τόσο πολύ εμπορικά λόγω του γεγονότος ότι το πλάσμα ευνοεί τη δημιουργία διεπιφανειακών στρωμάτων [31]. Επίσης, αξίζει να αναφερθεί ότι το όζον (Ο 3) λόγω του 39

50 γεγονότος ότι είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό μέσο αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη εναλλακτική πηγή οξυγόνου για χρήση του σε εναποθέσεις με τη τεχνική ALD. Στην παρούσα εργασία, όπως προαναφέρθηκε, εναποτέθηκαν λεπτά υμένια Τa 2O 5πάχους 7 και 20nm σε καθαρισμένα υποστρώματα πυριτίου τύπου p (p-si).η πρόδρομη ένωση που χρησιμοποιήθηκε για το σχηματισμό του Ta 2O 5 είναι το Ta(N(CH 3) 2) 5 (pentakis dimethylamido tantalum-pdmat) [25,26] και το νερό. Επομένως, η χημική αντίδραση μέσω της οποίας προέκυψε το Τa 2O 5είναι η εξής: 2Ta(N(CH 3) 2) 5+ 5H 2O Ta 2O 5 +10HN(CH 3) 2 O ρυθμός εναπόθεσης του Ta 2O 5είναι 0.47 Å/cycle στους 300 ο C. 2.4 ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ ΜΟS Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό δομών MOS είναι απαραίτητος ο σχηματισμός μεγάλου αριθμού δομών στο ίδιο υπόστρωμα, κάτι που επιτυγχάνεται με την τεχνική της λιθογραφίας [32,33]. Για την επίτευξη της ωμικής επαφής στο κάτω μέρος της δομής (υπόστρωμα Si), αυτό επικαλύφθηκε από αγώγιμη-εύτηκτη κόλλα In-Ga και η όλη δομή τοποθετήθηκε σε μονωτικό φύλλο μίκας, η επιφάνεια του οποίου έχει επικαλυφθεί με αγώγιμη κόλλα silverpaste (Σχήμα 2.3). ΣΧΗΜΑ 2.3 Τελική εικόνα δομών με πίσω επαφή In-Ga Η πληθώρα δομών MOSπου δημιουργήθηκαν με την τεχνική της λιθογραφίας σε κάθε υπόστρωμα φαίνεται στο σχήμα 2.4(α). Επίσης στο σχήμα 2.4(β) εμφανίζεται σε μεγέθυνση μία κάτοψη των σχηματιζόμενων δομών όπου υπάρχουν πυκνωτές με κυκλικό οπλισμό διαμέτρου 100 μm και πυκνωτές με τετραγωνικούς οπλισμούς διαστάσεων 100x100μm 2, 200x200μm 2 και 400x400μm 2. 40

51 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 2.4 (α)κάτοψη δομής μετά την ολοκλήρωση της λιθογραφίας, (β) Μεγέθυνση κάτοψης δομής όπου εμφανίζονται πυκνωτές διαφορετικών σχημάτων και μεγεθών. 41

52 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] Ahonen, M.; Pessa, M.; Suntola, T. Thin Solid Films, 65, p. 301 (1980) [3] Q. Peng, X.Y. Sun, J.C. Spagnola, G.K. Hyde, R.J. Spontak, G.N. Parsons, Nano Letters 7, 719 (2007) [4] H. Kim, H. B. R. Lee, and W. J. Maeng, Thin Solid Films, 517, 8 (2009) [5] M. Napari, Doctoral thesis Low-temperature thermal and plasma-enhanced Atomic Layer Deposition of metal oxide thin films, University of Jyvaskyla (2017) [6] V. Miikkulainen, M. Leskelä, M. Ritala, and R. Puurunen, J. Appl. Phys. 113, (2013) [7] M. Leskelä and M. Ritala,Thin Solid Films 409, 138 (2002) [8] B. S. Lim, A. Rahtu, and R. G. Gordon, Nat. Mater. 2, 749(2003) [9] S. M. George, B. Yoon, and A. A. Dameron, Acc. Chem. Res. 42, 498 (2009) [10] Handbook of thin film deposition, K. Seshan, D. Schepis, Elsevier Inc. (2018) [11] R. L. Puurunen. Growth per cycle in atomic layer deposition: A theoretical model. Chem. Vap. Deposition 9, 249 (2003) [12] S. M. George, Chem. Rev. 110, 111 (2009) [13] M. Ylilammi, Thin Solid Films 279, 124 (1996) [14] S. E. Potts and W. M. M. Kessels, Coord. Chem. Rev. 257, 3254 (2013) [15] C. Chaneliere, J.L. Autran, R.A.B. Devine, J. Appl. Phys. 86,480 (1999) [16] E. Atanassova, T. Dimitrova, in: H.S. Nalva (Ed.), Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials, vol. 4, Academic Press, San Diego, USA, p. 439 (2001) [17] E. Atanassova, D. Spassov, A. Paskaleva, Microelectron. Eng. 83, 1918 (2006) [18] O. Engstrom, B. Raeissi, S. Hall, O. Buiu, M.C. Lemme, H.D.B. Gottlob, P.K. Hurley, K. Cherkaoui, Solid State Electron. 51 (4), 622 (2007) [19] M. L. Terranova, V. Guglielmotti, S. Orlanducci, V. Sessa, E. Tamburri, M. Rossi, ECS Trans. 25 (8), 1153 (2009) [20] K. Kukli, M. Ritala, R. Matero, M. Leskela, J. Cryst. Growth 212, 459 (2000) [21] K.M.A. Salam, H. Fukuda, S. Nomura, J. Appl. Phys. 93, 1169 (2003) [22] T. Blanquart, V. Longo, J. Niinisto, M. Heikkila, K. Kukli, M. Ritala, M. Leskela, Semicond. Sci. Technol. 27, (2012) [23] H. Kim, J. Vac. Sci. Technol. B 21, 2231 (2003) [24] M. K. Kim, W.H Kim, T. Lee, H. Kim, Thin Solid Films 542, (2013) [25] W. J. Maeng and H. Kim, Electrochemical and Solid-State Letters, 9 (6) G191-G194 (2006) [26] Τ. Gougousi and L. Ye, J. Phys. Chem. C, 116 (16), pp (2012) 42

53 [27] V. Vandalon and W. M. M. Kessels, Appl. Phys. Lett. 108, (2016) [28] D. M. Hausmann, E. Kim, J. Becker, R.G. Gordon, Chem. Mater. 14, 4350 (2002) [29] W. J. Maeng, H. Kim, Electrochem. Solid-State Lett. 9, G191 (2006) [30] W. H. Kim, W.J. Maeng, K. J. Moon, J. M. Myoung, H. Kim, Thin Solid Films 519, 362 (2010) [31] H. Kim, Thin Solid Films 519, 6639 (2011) [32] Δ.Σκαρλάτος «Υλικά με εφαρμογές στη Μικροηλεκτρονική», Πανεπιστημιακές Σημειώσεις, Έκδοση Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα (2011) [33] 43

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΧΗΜΙΚΟΣ ΚΑΙ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ MOS 3.1 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΑΠΟ ΑΚΤΙΝΕΣ Χ H φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ (xrayphotoelectronspectroscopy-xps) είναι μία ευρέως διαδεδομένη τεχνική η οποία χρησιμοποιείται για τη στοιχειακή ανάλυση των υλικών [1]. Η ανάλυση μέσω της τεχνικήςxps περιλαμβάνει την ακτινοβόληση του δείγματός σε κενό με μία μονοενεργητική δέσμη ακτίνων Χ και την ανάλυση της ενέργειας των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων. Το φάσμα που λαμβάνεται έχει τη μορφή του Σχήματος 3.1 και προκύπτει από τον αριθμό των ανιχνευόμενων ηλεκτρονίων διά το ολοκλήρωμα της ενέργειας συναρτήσει της κινητικής τους ενέργειας. Κάθε στοιχείο έχει ένα και μοναδικό φάσμα. Επειδή η κύρια ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων των ηλεκτρονίων στα στερεά είναι πολύ μικρή, τα ανιχνευόμενα ηλεκτρόνια προέρχονται μόνο από βάθος λίγων ατομικών στρωμάτων, καθιστώντας το XPS μία ευαίσθητη επιφανειακή τεχνική. Τα δεδομένα προκύπτουν από τα ύψη των κορυφών ή τα εμβαδά των κορυφών και η ταυτοποίηση των χημικών καταστάσεων συχνά προκύπτει από την ακριβή μέτρηση των θέσεων των κορυφών και των διαχωρισμών. ΣΧΗΜΑ 3.1 Διάγραμμα της έντασης των φωτοηλεκτρονίων συναρτήσει της κινητικής τους ενέργειας [2]. 44

55 3.1.1ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ H επιφανειακή ανάλυση από το XPS [2] επιτυγχάνεται, όπως αναφέρθηκε, από την ακτινοβόληση του δείγματος με μονοενεργητικές ακτίνες Χ και αναλύεται από την ενέργεια των ανιχνευόμενων ηλεκτρονίων. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι ακτίνες Χ MgKα (1253.6eV) ή AlKα (1486.6eV). Αυτά τα φωτόνια έχουν περιορισμένη, της τάξης του 1-10 μm, διείσδυση σ ένα στερεό. Έτσι, αλληλεπιδρούν με τα άτομα στην επιφάνεια με αποτέλεσμα να εκπέμπονται ηλεκτρόνια λόγω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Η κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων δίνεται από τη σχέση: (3.1) όπου η ενέργεια του φωτονίου, η ενέργεια σύνδεσης του ατομικού τροχιακού από την οποία προέρχεται το ηλεκτρόνιο και το έργο εξόδου του φασματοφωτόμετρου. Η ενέργεια σύνδεσης προκύπτει ως η διαφορά της ενέργειας μεταξύ των αρχικών και των τελικών καταστάσεων αφού το φωτοηλεκτρόνιο έχει αφήσει το άτομο. Επειδή κάθε υλικό έχει ένα μοναδικό σύνολο από ενέργειες σύνδεσης, το XPS χρησιμοποιείται για την ανίχνευση των στοιχείων και των συγκεντρώσεών τους στην επιφάνεια ενός δείγματος.οι μεταβολές στις στοιχειακές ενέργειες σύνδεσης (χημικές μετατοπίσεις) δημιουργούνται από τις διαφορές στο χημικό δυναμικό και την πολωσιμότητα των ενώσεων. Οι χημικές μετατοπίσεις χρησιμοποιούνται για την ταυτοποίηση της χημικής κατάστασης των υλικών [3]. Εκτός από τα φωτοηλεκτρόνια που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, ηλεκτρόνια Auger εκπέμπονται επίσης εξαιτίας της χαλάρωσης των διεγειρόμενων ιόντων που παραμένουν μετά τη φωτοεκπομπή. Η εκπομπή των ηλεκτρονίων Auger συμβαίνει δευτερόλεπτα μετά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Στη διαδικασία Auger ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο πέφτει μέσα σ ένα εσωτερικό τροχιακό κενό κι ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο εκπέμπεται αυθόρμητα κουβαλώντας την επιπλέον ενέργεια. Το ηλεκτρόνιο Auger έχει κινητική ενέργεια η οποία είναι ίση με τη διαφορά της ενέργειας μεταξύ του αρχικού ιόντος και του διπλά φορτισμένου τελικού ιόντος. Επομένως, ο φωτοιονισμός οδηγεί σε δύο εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια, ένα φωτοηλεκτρόνιο κι ένα ηλεκτρόνιο Auger [2]. To άθροισμα των κινητικών ενεργειών δεν μπορεί να ξεπεράσει την ενέργεια των ιονισμένων ιόντων. H παραπάνω διαδικασία περιγράφεται στο σχήμα

56 ΣΧΗΜΑ 3.2 Η διαδικασία εκπομπής (πάνω) ενός φωτοηλεκτρονίου για ένα ατομικό μοντέλο. Στη διαδικασία Auger (κάτω) ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο πέφτει σ ένα εσωτερικό τροχιακό κι ένα δευτερεύον ηλεκτρόνιο εκπέμπεται αυθόρμητα αφήνοντας έτσι δύο κενές θέσεις [2]. Καθώς, λοιπόν, συμβαίνει ο ιονισμός σ ένα βάθος λίγων μικρομέτρων, μόνο τα ηλεκτρόνια από βάθος μερικών δεκάδων Angstrom μπορούν να φύγουν από την επιφάνεια χωρίς να χάσουν ενέργεια. Αυτά τα ηλεκτρόνια παράγουν κορυφές στο φάσμα. Επομένως τα ηλεκτρόνια που αφήνουν το δείγμα ανιχνεύονται από ένα φασματόμετρο ηλεκτρονίων σύμφωνα με την κινητική τους ενέργεια. Ο αναλύτης συνήθως χρησιμοποιείται σαν ένα παράθυρο ενέργειας, αναφερόμενο ως ενέργεια διέλευσης, το οποίο δέχεται μόνο τα ηλεκτρόνια που έχουν ενέργεια στο δικό του εύρος. Η ενέργεια διέλευσης είναι σταθερή έτσι ώστε να διατηρηθεί σταθερή η ανάλυση. Τα εισερχόμενα ηλεκτρόνια προσαρμόζονται στην ενέργεια διέλευσης πριν εισέλθουν στον αναλύτη της ενέργειας. Η σάρωση για διάφορες ενέργειες επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός μεταβαλλόμενου ηλεκτροστατικού πεδίου πριν τον αναλύτη. Αυτή η τάση καθυστέρησης ποικίλει από μηδέν έως την ενέργεια του φωτονίου και παραπάνω. Τα ηλεκτρόνια ανιχνεύονται για διακριτά συμβάντα και προκύπτουν ο αριθμός των ηλεκτρονίων για δοθέντα χρόνο ανίχνευσης και η ενέργεια. Tα κύρια μέρη της πειραματικής διάταξης [3] είναι μία πηγή ακτινών Χ, ένας θάλαμος υπερύψηλου κενού (Ultra-High-Vacuum, UHV) από ατσάλι, φακοί συλλογής ηλεκτρονίων, 46

57 ένα αναλύτη της ενέργειας των ηλεκτρονίων, μία θωράκιση μαγνητικού πεδίου, ένα σύστημα ανίχνευσης ηλεκτρονίων, ένα θάλαμος εισαγωγής των δειγμάτων και μία βάση για το δείγμα (Σχήματα 3.3 και 3.4). ΣΧΗΜΑ 3.3 Σχηματική αναπαράσταση μια πειραματικής διάταξης XPS [2]. ΣΧΗΜΑ 3.4 Μια πραγματική διάταξη XPS [4]. 47

58 3.1.2 ΧΗΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΥΜΕΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ XPS Μέσω της τεχνικής φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε 3 δείγματα, συμπεριλαμβανομένων ενός καθαρού υποστρώματος p-si και δύο λεπτών υμενίων Τa 2Ο 5 ονομαστικού πάχους 7nm και 20nm. Τα δείγματα παρασκευάσθηκαν ex-situ με εναπόθεση ατομικού στρώματος (ALD). Σκοπός των μετρήσεων είναι ο χημικός χαρακτηρισμός του αναπτυσσόμενου υμενίου καθώς και ο χαρακτηρισμός της διεπιφάνειας που σχηματίζει με το ημιαγώγιμο υπόστρωμα. Προκειμένου να γίνουν οι απαραίτητες μετρήσεις, τα δείγματα τοποθετήθηκαν σε θάλαμο υπερύψηλου κενού και για την ακτινοβόλησή τους χρησιμοποιήθηκε πολυχρωματική ακτινοβολία ΜgKa (1253.6eV). Η ανάλυση των φωτοηλεκτρονίων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση αναλύτη Α-11 της εταιρίας Leybold με σταθερή ενέργεια διέλευσης 100eV, ο οποίος δίνει για τη φωτοκορυφήau 4f 7/2 στο μισό του ύψους της μέγιστο πλάτος (FWHM) 1.3eV. Η περιοχή ανάλυσης είναι ένα ορθογώνιο παραλληλόγραμμο, διαστάσεων (2x5) mm 2 στο γεωμετρικό κέντρο του κάθε δείγματος. Επιπλέον, ο αναλύτης τοποθετήθηκε κάθετα ως προς τα δείγματα. Για την ανάλυση των φασμάτων, έχει χρησιμοποιηθεί ως αναφορά η ενέργεια σύνδεσης της φωτοκορυφής C1s λόγω της έκθεσης των δειγμάτων στον ατμοσφαιρικό αέρα στα 284.8eV. Στο σχήμα 3.5 παρουσιάζεται το φάσμα της φωτοκορυφής του Τa4f των υμενίων Τa 2Ο 5 πάχους 7nm και 20nm που εναποτέθηκαν πάνω σε υπόστρωμα p-si. Στο φάσμα και των δύο δειγμάτων, η φωτοκορυφή του Τa4f εμφανίζεται ως διπλή κορυφή αποτελούμενη από τις φωτοκορυφές 4f 5/2 και 4f 7/2, λόγω του φαινομένου της σύζευξης σπιν-τροχιάς (SpinOrbitSpliting-SOS). H ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο φωτοκορυφών υπολογίστηκε στα 1.8±0.1eV με την φωτοκορυφή 4f 7/2 να βρίσκεται και για τα δύο δείγματα σε ενέργεια σύνδεσης 26.3eV. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η κορυφή αποδίδεται σε στοιχειομετρικό Ta 2O [5] 5. 48

59 ΣΧΗΜΑ 3.5 Φάσμα της φωτοκορυφής του Τa 4f για υμένιαta 2O 5. Στο σχήμα 3.6 παρουσιάζεται το φάσμα της φωτοκορυφής του Si2p για το υμένιο Τa 2Ο 5 πάχους 7nm που εναποτέθηκε πάνω σε υπόστρωμα p-si και του υποστρώματος p-si. Για το υμένιο των 20nm Τa 2Ο 5 σε υπόστρωμα p-si, δεν είναι δυνατή η παρατήρηση του Si, όπως αναμενόταν, λόγω του γεγονότος ότι το βάθος της ανάλυσης περιορίζεται περίπου στα 10 πρώτα nm της επιφάνειας. Από την ανάλυση του υποστρώματος, η φωτοκορυφή εντοπίζεται στην ενέργεια σύνδεσης των 99.2±0.1eV, η οποία αντιστοιχεί σε μεταλλικό Si. Για το υμένιο Τa 2Ο 5 πάχους 7nm η ένταση του Si είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με το καθαρό υπόστρωμα. Στο ένθετο του σχήματος 3.6 φαίνεται το φάσμα του δείγματος με 7nm Ta 2Ο 5 σε μεγέθυνση (x9.5) όπου παρατηρείται μια μικρής έντασης φαρδιά κορυφή στην περιοχή ενεργειών σύνδεσης eV η οποία αποδίδεται σε υποξείδια του Si [6]. 49

60 ΣΧΗΜΑ 3.6 Φάσμα της φωτοκορυφής του Si 2p για το υπόστρωμα p-si και το δείγμα με 7nm Ta 2O ΤΕΜ (Transmission Electron Microscopy) Το ΤΕΜ [7] (Transmission Electron Microscopy-Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης) είναι μία τεχνική η οποία έχει ως στόχο την ανάδειξη λεπτομερειών του δείγματος τα οποία δεν μπορούν να προκύψουν από τα συμβατικά οπτικά μικροσκόπια λόγω της συγκριτικά μεγαλύτερης ανάλυσης που επιτυγχάνεται εξαιτίας του μικρότερου μήκους κύματος de Broglie των ηλεκτρονίων. Σ ένα ΤΕΜ η δέσμη των ηλεκτρονίων περνά μέσα από ένα υπέρλεπτο δείγμα μικρότερο των 100 nm και αλληλεπιδρά μ αυτό. Όταν τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες (μερικές εκατοντάδες kev) και βομβαρδίζουν το δείγμα, είναι δυνατόν να λαμβάνουν χώρα διάφορες διεργασίες λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων με το δείγμα, όπως η σκέδαση των ηλεκτρονίων, η εκπομπή ακτίνων Χ, η εκπομπή δευτερευόντων ηλεκτρονίων, κτλ. Όλες οι διεργασίες που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με την ύλη συνοψίζονται στο σχήμα

61 ΣΧΗΜΑ 3.7 Αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων-δείγματος [8]. Η απεικόνιση των δειγμάτων μέσω της τεχνικής αυτής παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη μορφολογία και τη δομή ενός υλικού, καθώς επίσης και της διεπιφάνειας μεταξύ δύο στρωμάτων σε μία πολυστρωματική δομή. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα προσδιορισμού του πάχους λεπτών υμενίων που έχουν εναποτεθεί σε υποστρώματα ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η αρχή λειτουργίας ενός Μικροσκοπίου διέλευσης ηλεκτρονίου περιγράφεται στο σχήμα 3.8. Το πρώτο και βασικότερο κομμάτι ενός ΤΕΜ είναι η πηγή (1) των ηλεκτρονίων [8]. Είναι συνήθως ένα νήμα LaB 6 ή βολφραμίου (W) το οποίο είναι τυλιγμένο με ένα ηλεκτρόδιο Welhnet. Η πηγή ή αλλιώς κανόνι ηλεκτρονίων (electron gun) είναι συνδεδεμένη με μία πηγή υψηλής τάσης ( kv). Στη συνέχεια η δέσμη των ηλεκτρονίων εστιάζεται από δύο συμπυκνωτές φακούς (2). Ο πρώτος φακός καθορίζει το μέγεθος της δέσμης που θα χτυπήσει το δείγμα και ο δεύτερος φακός ουσιαστικά αλλάζει το μέγεθος της δέσμης στο δείγμα. Μετά τους συμπυκνωτές φακούς η δέσμη περνά μέσα από ένα άνοιγμα (3) το οποίο περιορίζει τη δέσμη και απομακρύνει τα σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια. Έπειτα, η δέσμη χτυπά το δείγμα (4) και από την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με το δείγμα προκύπτουν μη σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια (διερχόμενη δέσμη), ελαστικά σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια (περιθλώμενη δέσμη) και ανελαστικώς σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια. Έπειτα, η διερχόμενη δέσμη εστιάζεται σε ένα αντικειμενικό φακό (5) και περνά πάλι μέσα από ένα άνοιγμα το οποίο αυξάνει την αντίθεση μπλοκάροντας τα περιθλώμενα ηλεκτρόνια υψηλής γωνίας. Δύο προβολικοί φακοί (6) επεκτείνουν τη δέσμη στη φθορίζουσα οθόνη (7), η οποία κατασκευάζεται από ( μm) σουλφίδιο ψευδαργύρου για άμεση 51

62 παρατήρηση. Oι σκοτεινές περιοχές της οθόνης υποδεικνύουν τις περιοχές του δείγματος από τις οποίες έχουν διέλθει λιγότερα ηλεκτρόνια, ενώ οι πιο φωτεινές τις περιοχές όπου έχουν διέλθει περισσότερα ηλεκτρόνια. Στα σχήματα 3.8 και 3.9 παρατίθενται η αρχή λειτουργίας του ΤΕΜ με τις επιμέρους διατάξεις του. ΣΧΗΜΑ 3.8 Σχηματική αναπαράσταση μιας πειραματικής διάταξης ΤΕΜ [9]. 52

63 ΣΧΗΜΑ 3.9 Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης [10] ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Η προετοιμασία των δειγμάτων για την απεικόνισή τους μ αυτή την τεχνική δεν είναι μια απλή διαδικασία, αλλά προϋποθέτει κάποια συγκεκριμένα στάδια [11]. Καταρχήν, τα δείγματα πρέπει να είναι τόσο λεπτά έτσι ώστε να γίνονται διαπερατά από τα ηλεκτρόνια της δέσμης. Γι αυτό το σκοπό τα υπό μελέτη δείγματα πρέπει να έχουν πάχος <100nm. Πριν λοιπόν επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος, πρέπει τα δείγματα να κοπούν σε διαστάσεις 1.5x3mm 2 προκειμένου να στερεωθούν σε μία βάση από τιτάνιο. Στη συνέχεια, με τη χρήση ενός τριβείου το πάχος του δείγματος μειώνεται περίπου στα 100μm. H περαιτέρω μηχανική μείωση του πάχους για το σχηματισμό κοίλου σχήματος (dimple) στο δείγμα επιτυγχάνεται μέσω ενός κατάλληλου τροχού. To τελευταίο στάδιο προετοιμασίας περιλαμβάνει τη λέπτυνση του dimple μέσω μιας δέσμης ιόντων (ion milling) μέχρι τη δημιουργία οπής στο δείγμα. Έτσι, έχει επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος του δείγματος στα σύνορα της οπής. Πλέον, το δείγμα είναι έτοιμο ώστε να πραγματοποιηθεί η απεικόνισή του. Στο Σχήμα 3.10 φαίνονται τα στάδια της παραπάνω διαδικασίας. 53

64 ΣΧΗΜΑ 3.10 Τα διάφορα στάδια προετοιμασίας των δειγμάτων ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΥΜΕΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΤΕΜ Στα σχήματα 3.11 (α, β) παρουσιάζονται οι μικρογραφίες ΤΕΜ συμβατικής και υψηλής ευκρίνειας αντίστοιχα, για την υπό μελέτη δομή 20nm Ta 2O 5/p-Si αναπτυγμένη στους 300 o C. 54

65 (α) (β) ΣΧΗΜΑ 3.11 (α),(β) Μικρογραφίες ΤΕΜ συμβατικής και υψηλής ευκρίνειας αντίστοιχα, για τη δομή 20nm Τa 2O 5/p-Si αναπτυγμένη στους C. Το υμένιο εμφανίζεται άμορφο με πάχος περίπου 18-19nm. Το πάχος αυτό βρίσκεται σε συμφωνία με το αναμενόμενο από τη τεχνική ALD πάχος. Τέλος, προκύπτει ότι στη διεπιφάνεια Si / Ta 2O 5 αναπτύσσεται ένα λεπτό στρώμα πάχους ~1-1,5nm το οποίο αποδίδεται σε σχηματιζόμενα κατά την εναπόθεση υποξείδια του Πυριτίου (SiO x). Η ύπαρξη του λεπτού αυτού στρώματος έχει παρατηρηθεί κατά κόρον στη διεθνή βιβλιογραφία [12,13,14,15] και αποτελεί έναν από τους βασικούς παράγοντες υποβάθμισης της ηλεκτρικής απόκρισης 55

66 της δομής καθώς εμφανίζεται πλούσιο σε ατέλειες και παγίδες φορτίου [12,14]. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η εμφάνιση του λεπτού αυτού στρώματος στις μικρογραφίες ΤΕΜ βρίσκεται σε απόλυτη συμφωνία με την χημική ανάλυση του υμενίου μέσω XPS, η οποία υπέδειξε την ύπαρξη ενός μη στοιχειομετρικού οξειδίου του Πυριτίου στη διεπιφάνεια Si / Ta 2O 5 (βλ ). 56

67 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, Jolm F. Moulder, William F. Stickle Peter E.Sobol, Kennetlf D. Bomben, Perkin-Elmer Corporation Physical Electronics Division (1993) [2] Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, D. Briggs, J.T. Grant, eds., IM Publications and Surface Spectra Ltd. (2003) [3] I. Lindgren, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 137, (2004) [4] [5] R.Simpson, R.G.White, J.F, Watts, M.A. Baker, Applied Surface Science, 405, pp (2017) [6] C. C. Negrila, C.Cotirlan, F.Ungureanu, C.Logofatu, R.V.Ghita, M.F.Lazarescu, J.Optoelectron. Adv.Mater, 10 (6), pp (2008) [7] C. Richard Brundle, Charles A. Evans Jr, Shaun Wilson. Encyclopedia of materials characterization, Butterworth-Heinemann publications (1992) [8] Transmission Electron Microscopy A Textbook for Materials Science, David B. Williams, C. Barry Carter, Springer Science Business Media, LLC 1996 (2009) [9] [10] [11] J. Mayer, L. A. Giannuzzi, T. Kamino, and J. Michael.TEM Sample Preparation and FIB-Induced Damage. Mrs Bulletin, Vol. 3 (2007) [12] G. B. Alers, D. J. Werder, Y. Chabal, H. C. Lu, E. P. Gusev, E. Garfunkel and T. Gustaffson, Appl. Phys. Lett. 73, 1517 (1998) [13] T. Dimitrova and E. Atanassova, Vacuum, Volume 51, No. 2 (1998) [14] H. Ono and K. I. Koyanagi, Appl. Phys. Lett. 75, 3521 (1999) [15] Y.S. Lai, K. J. Chen and J. S. Chen, J. Appl. Phys., Vol. 91, No. 10 (2002) 57

68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΔΟΜΩΝ p-si/ 20nm Ta2O5 /Al Στο κεφάλαιο αυτό μελετάται η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών που παρασκευάστηκαν. Η μελέτη εστιάζεται κυρίως στη λήψη και ανάλυση των χαρακτηριστικών C-V και Ι-V. Από τις χαρακτηριστικές C-V είναι δυνατόν να εξαχθεί το ισοδύναμο ηλεκτρικό πάχος (EOT) της διάταξης. Από τις χαρακτηριστικές I-V είναι δυνατή η μελέτη των μηχανισμών που διέπουν την αγωγιμότητα της δομής και η εξαγωγή σημαντικών πληροφοριών, όπως τo ύψος του φράγματος δυναμικού (qφ Β) στη διεπιφάνεια του διηλεκτρικού και του μετάλλου και οι ενέργειες ενεργοποίησης των μηχανισμών. 4.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΛΗΨΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Για τη λήψη των προκαταρκτικών ηλεκτρικών μετρήσεων στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, χρησιμοποιήθηκε ο σταθμός μετρήσεων (probe station) ο οποίος απεικονίζεται στο σχήμα 4.1. Η εφαρμογή τάσης στο δείγμα πραγματοποιείται με τη βοήθεια ακίδων (tips) (διαστάσεις μύτης 7 μm) από τις οποίες η μία ακουμπάει στην αγώγιμη κόλλα (silverpaste) και η άλλη στο ηλεκτρόδιο αλουμινίου. ΣΧΗΜΑ 4.1 Διάταξη λήψης μετρήσεων (probe station) για θερμοκρασία περιβάλλοντος. 58

69 Για τη λήψη των τελικών μετρήσεων, με παράμετρο τη θερμοκρασία, χρησιμοποιήθηκε η διάταξη (probe station) της εταιρίας Materials Development Corporation (MDC) (Σχήμα 4.2). ΣΧΗΜΑ 4.2 Σταθμός μετρήσεων (probe station) για τη λήψη μετρήσεων με παράμετρο τη θερμοκρασία. Η λήψη των χαρακτηριστικών C-V έγινε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (Broadband Dielectric Spectroscopy-BDS). Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκε η γέφυρα εναλλασσομένου Alpha-N της εταιρίας Novocontrol (Σχήμα 4.3) και για τη διεξαγωγή των πειραμάτων εφαρμόστηκε συνεχής τάση πόλωσης (DC Bias) πάνω στην οποία υπερτίθεται εναλλασσόμενη τάση V rms=10 mv. ΣΧΗΜΑ 4.3 Γέφυρα της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας της Novocontrol. 59