xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Επίδραση της Θερµικής Οξείδωσης στα Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Πυκνωτών Μετάλλου –
Οξειδίου – Ηµιαγωγού σε Υποστρώµατα Πυριτίου υπό Μηχανική Τάση
Ν. Κελαϊδής, ∆. Σκαρλάτος, Χ. Τσάµης*
Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, ΕΚΕΦΕ «∆ηµόκριτος», Tέρµα Πατριάρχου Γρηγορίου, Αγ. Παρασκευή, 15310 Αττική
* e-mail: ctsamis@imel.demokritos.gr
Περίληψη
Tο πυρίτιο υπό µηχανική τάση (strained-Silicon) αποτελεί σηµαντικό υλικό για την τεχνολογία ηµιαγωγικών διατάξεων. Πρόκειται
για ένα λεπτό στρώµα πυριτίου που αναπτύσσεται πάνω σε Si 1-x Ge x όπου η περιεκτικότητα σε Ge διαβαθµίζεται από την τιµή 0
(κοινό πυρίτιο) µέχρι την τελική τιµή περιεκτικότητας σε Ge. Καθώς το Si 1-x Ge x παρουσιάζει µεγαλύτερη πλεγµατική σταθερά από
το πυρίτιο, τα άτοµα του στρώµατος πυριτίου ευθυγραµµίζονται µε τα υποκείµενα άτοµα του πλέγµατος του Si 1-x Ge x και αποκτούν
εκτατική µηχανική τάση, το αποτέλεσµα της οποίας είναι η σηµαντική αύξηση της ευκινησίας των φορέων σε σχέση µε το συµβατικό
πυρίτιο [1,2]. Χρησιµοποιώντας το στρώµα υψηλής ευκινησίας του πυριτίου υπό µηχανική τάση ως περιοχή καναλιού σε τρανζίστορ
επίδρασης πεδίου µετάλλου - οξειδίου - ηµιαγωγού (MOSFET), η ταχύτητα της δοµής αυξάνεται χωρίς επιπρόσθετη σµίκρυνση [3].
Η µέθοδος της ξηρής θερµικής οξείδωσης σε υψηλή θερµοκρασία δηµιουργεί οξείδια υψηλής ποιότητας σε υποστρώµατα κοινού Si.
Όµως, η εφαρµογή της µεθόδου αυτής σε υποστρώµατα s-Si πρέπει να γίνεται αποφεύγοντας το υψηλό θερµικό κόστος διότι δύναται
να προκαλέσει διάχυση του Ge προς το s-Si καθώς και χαλάρωση της µηχανικής τάσης [4-6]. Υπερβολική διάχυση Ge υποβαθµίζει
την ποιότητα του στρώµατος s-Si καθώς και των διεπιφανειών s-Si / SiGe και SiO 2 / s-Si [7,8]. Στην παρούσα µελέτη, εξετάζεται η
επίδραση της θερµικής οξείδωσης στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πυκνωτών MOS σε υποστρώµατα πυριτίου υπό µηχανική τάση για
διάφορες συνθήκες οξείδωσης (θερµοκρασία και χρόνος οξείδωσης).
Για τη µελέτη της θερµικής οξείδωσης χρησιµοποιήθηκαν δύο διαφορετικά υποστρώµατα, που συµβολίζονται S1 και S2. Το
υπόστρωµα S1 αποτελείται από ένα λεπτό υµένιο πυριτίου υπό µηχανική τάση πάχους 27.5 nm, το οποίο έχει αναπτυχθεί πάνω σε
υµένιο Si 90 Ge 10, , ενώ το υπόστρωµα S2 αποτελείται από πυρίτιο υπό µηχανική τάση πάχους 13 nm ανεπτυγµένο σε υµένιο Si 78 Ge 22
(Σχήµα 1). Τα δισκία πυριτίου υπό µηχανική τάση παραχωρήθηκαν από την εταιρεία MEMC Electronic Materials Inc. Θερµικά
οξείδια πραγµατοποιήθηκαν στις θερµοκρασίες των 800 o C, 850 o C και 900 o C για διαφόρους χρόνους οξείδωσης, από 15 min έως 120
min (Σχήµα 2). Στη συνεχεία κατασκευάστηκαν πυκνωτές MOS µε επιφάνεια πύλης Αλουµινίου, διαστάσεων 200×200µm 2 . Όλα τα
δείγµατα υπέστησαν ανόπτηση σε µείγµα H 2 – N 2 (Forming Gas Annealing, FGA) στους 380 o C για 20 λεπτά. Τα ηλεκτρικά
χαρακτηριστικά των οξειδίων µελετήθηκαν µε ηλεκτρικές µετρήσεις χωρητικότητας - τάσης (C-V) και ρεύµατος – τάσης I-V
(ηµιστατική µέθοδος). Οι ηλεκτρικές µετρήσεις πραγµατοποιήθηκαν σε θερµοκρασία δωµατίου.
Μετρήσεις C-V στα δείγµατα χαµηλότερης µηχανικής τάσης S1, δεν έδειξαν κάποια ιδιαίτερη συµπεριφορά. Αντιθέτως, στην
περίπτωση των δειγµάτων υψηλότερης µηχανικής τάσης S2 παρατηρείται έντονο το φαινόµενο της κύρτωσης των C-V
χαρακτηριστικών. Αυτή η κύρτωση σχετίζεται µε την ασυνέχεια των ενεργειακών ζωνών στην ετεροεπαφή Si / SiGe που προκαλεί το
φαινόµενο του περιορισµού των οπών [7,9,10]. Σηµαντικό ρόλο όµως παίζει και η εγγύτητα της ετεροεπαφής µε το στρώµα του s-Si,
καθώς ένα σηµαντικό µέρος του s-Si στρώµατος καταναλώνεται για την δηµιουργία του οξειδίου. Συγκρίνοντας τις C-V
χαρακτηριστικές για τη συχνότητα του 1 MHz για το δείγµα S2 (Σχήµα 3), παρατηρούµε ότι το φαινόµενο αυτό της κύρτωσης της
χαρακτηριστικής γίνεται πιο έντονο όσο µικρότερο είναι το εναποµείναν στρώµα s-Si, κάτι που επιβεβαιώνεται µε την εξοµοίωση σε
υπολογιστικό περιβάλλον TCAD (Σχήµα 4), στην οποία έγινε εισαγωγή του απαραίτητου αρνητικού σταθερού φορτίου οξειδίου
(fixed oxide charge) για την σύµπτωση πειραµατικών δεδοµένων και εξοµοίωσης. Επίσης, το φαινόµενο της κύρτωσης των
χαρακτηριστικών συνοδεύεται µε διασπορά ως προς τη συχνότητα στην περιοχή της αναστροφής φορέων (Σχήµα 5). Καθώς µάλιστα
οι συνθήκες οξείδωσης οδηγούν σε λεπτότερο στρώµα s-Si, το φαινόµενο αυτό γίνεται πιο έντονο. Το φαινόµενο της διασποράς
συχνοτήτων εξετάστηκε περαιτέρω µε την ηµιστατική (quasistatic) C-V µέθοδο για την µελέτη των παγίδων διεπιφανειακών
καταστάσεων. Η πυκνότητα των διεπιφανειακών παγίδων που υπολογίστηκε για τα δείγµατα που αναφέρθηκαν στο µέσο του
ενεργειακού διάκενου ως προς το πάχος του στρώµατος s-Si που απέµεινε µετά την οξείδωση, απεικονίζεται στο Σχήµα 6, µαζί µε
την πυκνότητα σταθερού φορτίου οξειδίου που εισήχθη στην προσοµοίωση. Παρατηρούµε µια εξάρτηση της πυκνότητας
διεπιφανειακών καταστάσεων ως προς το πάχος του εναποµείναντος µετά την οξείδωση στρώµατος s-Si η οποία φαίνεται να φτάνει
σε σταθερή τιµή για στρώµατα s-Si µικρότερα των 8nm. Παρόµοιο φαινόµενο έχει παρατηρηθεί ξανά [7] και έχει αποδοθεί σε
καταστάσεις παγίδευσης στην διεπιφάνεια s-Si/SiO 2 . Κάτι τέτοιο είναι πιθανό να οφείλεται σε ενδεχόµενη διάχυση του Ge προς τη s-
Si/SiO 2 διεπιφάνεια που να προκαλεί µια περιοχή ατελειών. Ενδεχοµένως όµως, σηµαντικό µέρος των ατελειών που ανιχνεύονται να
βρίσκεται στην s-Si / SiGe ετεροεπαφή, καθώς (α) τα δείγµατα έχουν υποστεί FGA που αναµένεται να αδρανοποιεί τη πλειοψηφία
των παγίδων κοντά στο οξείδιο και (β) λόγω της εγγύτητας αυτής του στρώµατος s-Si µε το στρώµα SiGe, η περιοχή αναστροφής
εκτείνεται αρκετά µέσα στην περιοχή του SiGe.
Για την περαιτέρω µελέτη του φαινοµένου της συχνοτικής διασποράς, διεξήχθησαν επιπρόσθετα πειράµατα οξείδωσης των
υποστρωµάτων υψηλότερης µηχανικής τάσης S2 στους 850 o C για 30min, όπου ακολούθησε ανόπτηση στην ίδια θερµοκρασία, σε
ουδέτερο περιβάλλον για διαφορετικούς χρόνους. Παρατηρήθηκε ότι το φαινόµενο της κύρτωσης αλλά και της διασποράς των C-V
χαρακτηριστικών ως προς τη συχνότητα ελαττώθηκε καθώς ο χρόνος ανόπτησης αυξανόταν. Το φαινόµενο αναδεικνύει την
αλληλεξάρτηση των δύο φαινοµένων.
Η παρούσα µελέτη συγχρηµατοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση και από Εθνικούς Πόρους (Ε.Π.Ε.Α.Ε.Κ.,) από το πρόγραµµα
«Αρχιµήδης». Οι συγγραφείς ευχαριστούν το ∆ρ. Β. Ιωάννου–Σουγλερίδη (Ινστ. Μικροηλεκτρονικής) για την πολύτιµη συνεισφορά του
µε εύστοχες παρατηρήσεις, συζητήσεις και σχόλια.
66