Investigating Traps in the HfO 2 gate oxide layer of a MOSFET

Transcriptie

1 Investigating Traps in the HfO 2 gate oxide layer of a MOSFET Final Report INVESTIGATING TRAPS IN THE HfO 2 MOSFET GATE OXIDE LAYER Marijn van Loenhout, Arash Khatami en Tom Blauwendraat Begeleider: Herbert Wormeester 30 juni 2004, Enschede in het kader van het D2-project

2 2

3 1. SAMENVATTING In het kader van de wereldwijde zoektocht naar een vervanger voor SiO 2 in MOSFETs wordt ook hafniumoxide (HfO 2 ) onderzocht. Een groot probleem voor het gebruik van HfO 2 in MOSFETs is het aantal defecten en traps in HfO 2. Wij hebben een literatuuronderzoek gedaan naar traps en interfacestates en metingen aan HfO 2 capaciteitsstructuur. Traps zijn te karakteriseren met een tijdconstante, een Fermi niveau en een capture cross section. Er is een heel scala aan technieken, elektrisch, maar ook optisch en chemisch, waarmee defecten en traps gedetecteerd kunnen worden. Charge pumping is de beste elektrische methode. Bij microscopische technieken is AFM een goede methode om oppervlakken te onderzoeken en TEM is geschikt om de interne structuur van een laag te bepalen. Het blijkt dat traps in HfO 2 hun oorzaak hebben in korrelgrenzen, oxygen vacancies en grenslagen. Korrelgrenzen ontstaan wanneer het materiaal verhit wordt boven de kristallisatietemperatuur (300 ºC). Dit is het geval bij verschillende stappen in het huidige productieproces. Mogelijke oplossingen zijn andere annealtechnieken of het vervuilen van het HfO 2 met bv. Si, zodat de kristallisatietemperatuur hoger wordt. CVD processen lijken omdat zij voldoen aan de productie eisen die de industrie stelt de beste oplossing te bieden voor het deponeren van amorfe en complexe gateoxides. Onze metingen aan een HfO 2 sample doen vermoeden dat ons sample vol zit met bulk traps, maar dat het met de interface traps meevalt. Wij vermoeden dit omdat onze metingen bij lage wisselspanningsfrequentie zeer onbetrouwbaar worden, wat wijst op veel traps met een lage tijdsconstante. Voor de interface trap density vinden we met de Nicollian-Goetzberger methode een relatief lage dichtheid van 5,5x10 9 traps ev -1 cm -3. We zijn echter niet overtuigd van de betrouwbaarheid van onze meetpunten. Een verklaring voor een lage interface trap density is dat alleen de bulk uit HfO 2 bestaat; de interface bestaat uit het kwalitatief goede SiO 2 op Si. 3

4 4

5 2. INHOUDSOPGAVE 1. SAMENVATTING 3 2. INHOUDSOPGAVE 5 3. INLEIDING 8 4. MOSFETS De MOS structuur De MOSFET transistor DEFECTEN EN TRAPS Traps Defecten Deep levels Interface traps Eigenschappen van traps Trapped charge Ongewenste invloeden van traps MEETMETHODEN Elektrische meetmethoden C-V meetmethoden Conductance methode (Nicollian-Goetzberger) Charge pumping methode DLTS/PITS Random Telegraph Signal (RTS) Overige methoden Niet-elektrische meetmethoden Optische technieken Structurele oppervlakte- en filmanalyse Chemische karakteriseermethoden Toepassing op Hafniumoxide en Hafniumsilicaat films HAFNIUMOXIDE Structuur van hafniumoxide Hafniumoxide als high-k materiaal Traps in hafniumoxide DEPOSITIETECHNIEKEN METINGEN Inleiding Bepaling van de oppervlakte afhankelijkheid van gate stroom 47 5

6 9.3. Bepaling van de maximale spanning voor stress vrije I-V metingen Tijdsafhankelijkheid van de lekstroom C-V en G-V metingen Analyse van C-V grafieken Nicollian-Goetzberger analyse Equivalent oxide thickness CONCLUSIES LITERATUURLIJST 62 6

7 7

8 3. INLEIDING Microprocessoren zijn de afgelopen jaren steeds sneller kleiner en energiezuiniger geworden. Al jaren volgen de verbeteringen de wet van Moore. Dit is mogelijk omdat de industrie op wereldschaal samenwerkt aan het systematisch verkleinen van de mosfets die de basis van microprocessoren vormen. Deze verkleining van MOSFETs is gedreven door drie mogelijke verbeteringen die dit met zich mee brengt. Kleinere MOSFETs leiden tot kleinere RC-tijden en zo tot hogere schakelsnelheden. Kleinere MOSFETs hebben minder lekstroom per MOSFET en zijn dus energie zuiniger. Er passen meer kleine MOSFETs op een chip wat integratie en kostenbesparingen mogelijk maakt. Binnen enkele jaren zal de huidige technologie echter niet meer kleiner geschaald kunnen worden omdat er tegen fysische grenzen wordt gestuit. Het belangrijkste probleem hierbij vormt de isolerende SiO 2 laag tussen de gate en het source/drain kanaal in de MOSFETs. Deze laag moet zo dun worden dat kwantummechanische tunneling onaanvaardbare lekstromen tot gevolg heeft. Een oplossing hiervoor is het toepassen van een dikkere isolator laag. De werking van een MOSFET berust echter op de capaciteit tussen gate en substraat en een dikkere laag zal daarom een hogere diëlectrische constante moeten hebben om dezelfde capaciteit te hebben. Deze materialen met een hoge diëlectrische constante worden ook wel high-k materialen genoemd. Naast de keuze van het materiaal worden de eigenschappen van het gateoxide in belangrijke mate bepaald door de aanwezige interfacetoestanden en defecten in de dunne laag. Interface toestanden en traps hebben onder andere invloed op de lekstroom, de levensduur en het de drempelspanning van het materiaal. In het kader van het D2 project van Technische natuurkunde hebben wij daarom onderzoek gedaan naar de interfacetoestanden en defecten in high-k gateoxides. Het D2-project is begeleid door dr. Wormeester van de vakgroep vastestoffysica waar reeds onderzoek naar dit onderwerp gebeurt. De metingen aan MOS capaciteitsstructuren zijn door dr. Salm begeleid, waarvoor we haar graag willen bedanken. In dit D2-project verslag worden aan de hand van een literatuur onderzoek en metingen de belangrijkste eigenschappen van defecten en hun invloed op het huidige onderzoek en de toekomstige productie van high-k gateoxide MOSFETs besproken. In dit verslag zullen eerst de werking van de MOSFET en de verschillende defecten en hun eigenschappen beschreven worden. Daarna komen zowel de elektrische als de microscopische meettechnieken die bij het onderzoek aan gateoxides van belang zijn aan bod. Omdat de depositie techniek, samenstelling en omstandigheden waarbij een gateoxide gedeponeerd grote invloed hebben op het aantal defecten en interface condities. Worden vervolgens de belangrijkste depositie technieken voor de ontwikkeling van een high-k gateoxide en van hafnium oxide in het bijzonder toegelicht. Naast dit literatuur onderzoek hebben we ook nog elektrische metingen aan hafnium oxide MOS condenstoren gedaan. De verwerking van deze metingen richt zich vooral op de mogelijke karakterisering van defecten en interface condities. Tot slot worden de belangrijkste conclusies over de relatie van defecten en interface condities met betrekking op de ontwikkeling van high-k gate oxides gegeven. 8

9 9

10 4. MOSFETS Zoals in de inleiding al is uitgelegd, gaat het in dit project om een bepaald soort transistor, de MOSFET. In dit hoofdstuk leggen we uit wat een MOSFET is en hoe hij werkt. We beginnen met de MOS structuur, dit is een onderdeel van de MOSFET De MOS structuur De MOS structuur (Metal Oxide Semiconductor) is getekend in figuur 4.1. Het is duidelijk dat het hier om een structuur van drie lagen gaat: een geleidende gate, een isolerend gateoxide, en een halfgeleidend substraat. Ook zijn er twee grensvlakken te zien, dit zijn de beide interfaces. De MOS heeft diverse functies. Op zichzelf staand werkt hij als een capaciteit. Een aantal basisbegrippen worden geassocieerd met de MOS. Zo heeft hij drie modes: accumulatie, depletie en inversie. De MOS wisselt tussen deze modes afhankelijk van de gate bias, dat is de spanning tussen bovenkant gate en onderkant substraat. Figuur 4.1: de MOS structuur De namen van deze modes zijn ontleend aan het laagje wat zich vormt in het bovenste gedeelte van het halfgeleidersubstraat. We leggen dit uit aan de hand van een p-type MOS. Het substraat is hier standaard positief geladen, de ladingsdragers zijn gaten. Brengen we een negatieve gate bias aan, dan wordt de gate negatief geladen en de gaten in het substraat worden naar boven getrokken. Er vormt zich zo een accumulatielaagje (gaten accumuleren aan het grensoppervlak). (figuur 4.2 links) Maken we de gate bias meer positief, dan verlaten de gaten de laag weer. Zo rond 0V komen we aan op V FB, de flatband voltage. Nu is het silicium neutraal. Hier begint de depletiefase (±0-1V): gaten worden actief afgestoten, er ontstaat een laagje waar geen gaten meer zijn: depleted of holes. In plaats van de gaten komen er negatieve acceptor-ionen (figuur 4.2 midden) Als je het bias voltage nog hoger maakt (>±1V), kom je in inversie terecht: de ionen zijn op en er komen elektronen, zoveel zelfs dat er een dun laagje n- type silicium (een channel) ontstaat, in plaats van p-type: het silicium is plaatselijk geinverteerd (figuur 4.2 rechts) Figuur 4.2: de drie MOS modes: accumulatie, depletie, inversie 10

11 4.2. De MOSFET transistor In figuur 4.3 zien we resp. de doorsnede en de elektrische weergave van een silicium n-channel MOSFET. Te zien is dat hij om de MOS uit de voorgaande paragraaf is heen gebouwd. Het woord MOSFET staat voor MOS-Field Effect Transistor, waarbij we het woord MOS al kennen en Field Effect Transistor betrekking heeft op de functie die de MOS structuur in deze opstelling heeft, namelijk een transistor die gebruik maakt van het effect van een elektrisch veld. Figuur 4.3: links schematische weergave MOSFET, rechts elektrische weergave (bron: Wikipedia) Elektrisch gezien werkt de MOSFET als een schakelaar. Als er een spanning op de gate (G) wordt gezet, dan onstaat er geleiding tussen de source (S) en de drain (D) aansluiting. Als de gatespanning weer weg gaat dan springt de MOSFET weer in isolatie-modus. De interne werking van de MOSFET wordt geillustreerd met de doorsnede. Source en drain zijn aangesloten op twee stukken n-doped silicium in het onderste gedeelte van de tekening. Elektronen kunnen vrij bewegen in deze stukken, maar niet door het omringende p-doped substraat. In rust is er dus geen geleiding tussen source en drain. Wanneer er spanning op de gate komt te staan, vormt zich een elektrisch veld rondom de gate, waardoor elektronen in het p- doped silicium zich richting de gate bewegen en zich een n-doped inversielaag vormt aan het grensvlak van het substraat en het isolerende oxide. Deze inversielaag vormt een geleidend kanaal waardoor elektronen van source naar drain kunnen komen, vandaar de naam n-channel MOSFET. Het principe werkt ook als je n- en p-doped materiaal omdraait. De geleiding geschiedt dan door gaten in plaats van elektronen, en er is sprake van een p-channel MOSFET. De MOSFET wordt veel gebruikt in microprocessoren en andere chips waarin grote hoeveelheden schakelaars nodig zijn. Chips moeten steeds kleiner worden, onder andere in verband met warmte-ontwikkeling, en daarom worden steeds hogere eisen gesteld aan de MOSFET structuur. Een eis is bijvoorbeeld dat de lekstroom I GD (tussen gate en drain) zo klein mogelijk is. Lekstroom treedt op omdat het gateoxidelaagje tussen gate en drain nooit perfect isoleert. In het volgende hoofdstuk zullen we het hebben over traps en defecten in het gateoxidelaagje, veroorzakers van lekstroom. 11

12 12

13 5. DEFECTEN EN TRAPS In het vorige hoofdstuk beschreven we de werking van een MOSFET. In dit project gaat het om traps die zich bevinden in het gateoxidelaagje van die MOSFET. Wat zijn traps? Dat beschrijven we in deze paragraaf. Ook geven we aan wat voor eigenschappen ze hebben en welke nadelige invloed ze hebben Traps Als je het woord trap in het Nederlands vertaalt, betekent het niets anders dan een val. Bij dunne gateoxidelaagjes gaat het om een val die gezet wordt voor ladingsdragers (zoals electronen en gaten). Een trap heeft dus als belangrijkste eigenschap dat er lading in kan worden gevangen. Dit heeft allerlei ongewenste effecten op de werking van de MOSFET. Deze negatieve effecten komen later ter sprake Defecten Als we traps willen begrijpen moeten we begrijpen wat defecten zijn. Een trap is namelijk altijd een defect in het materiaal, en vaak een die zorgt dat er één of meer bindingsmogelijkheden onbenut blijven (unsaturated bonds). Een defect is geen éénduidig fenomeen, waarvan je bijvoorbeeld kunt zeggen: nou, dat is dus als één fosforatoom 3 micrometer naast een siliciumatoom staat. Nee, een aantal totaal verschillende onregelmatigheden in de microscopische structuur van een materiaal kunnen een defect (en dus een trap) zijn. Allereerst zijn er de vacancies, dit zijn plaatsen in een kristallijne structuur waar een atoom zou moeten zitten, maar waar er geen zit. Het kunnen ook dislocations zijn, dit zijn bepaalde imperfecties in het kristalrooster zoals de edge of de screw (figuur 5.1). Of het zijn metallic impurities, atomen zoals ijzer en koper die in de structuur niet thuishoren maar er toch per ongeluk in terecht zijn gekomen. Het kan Figuur 5.1: Edge en Screw dislocations ook zijn dat twee perfect gekristalliseerde korrels bij de materiaalgroei in een scheve houding met elkaar in contact komen en niet goed op elkaar passen. Echter thermodynamisch gezien is het gunstiger dat ze direct binden dan dat ze eerst recht gaan staan voordat ze binden, waardoor je een grain boundary (korrelgrens) krijgt waar veel bindingsmogelijkheden onbenut blijven en waar dus lading kan worden gevangen. Verder heb je nog de stacking faults, precipitates en interstitials. Interface traps aan het interface tussen twee verschillende materialen zijn bijvoorbeeld te wijten aan vrije bindingsmogelijkheden (dangling bonds) die optreden door slecht passende (niet-epitaxiale) kristalstructuren.[2,13]. Defecten ontstaan voornamelijk tijdens de groei van het materiaal, maar kunnen ook onstaan na verloop van tijd, als de MOSFET al langer in gebruik is. Ze kunnen ook onstaan wanneer een te hoge spanning op de laag aangebracht wordt, de laag veel straling te verduren krijgt, of wanneer de laag wordt blootgesteld aan een hoge temperatuur. 13

14 5.3. Deep levels Wat doet een defect dan precies? Dat hangt met name af van de plaats van zijn Fermi-energie in de bandgap. Elk defect heeft een bepaalde Fermienergie. Deze energie ligt ergens in de bandgap, dat wil zeggen tussen de valentie-energie-band E V en de conductieband E C. Met de plaats in de bandgap worden de termen deep level en shallow level geassocieerd. Een shallow level ligt dichtbij E V of E C en fungeert als n of p-doping, zoals een Silaag kan worden gedoped met de impurities P (fosfor) of B (boor). Een deep level daarentegen ligt verder van beide banden af (ergens tussenin) en fungeert als trap of als generation-recombination (G-R) center. Figuur 5.2: Boven zien we de conductieband (energie E C ) en onder de valentieband (energie E V ). Een deep level zit ertussenin. De processen (a) t/m (d) kunnen optreden. [14] In figuur 5.2 zien we een schematische tekening van een deep level in de bandgap. Met dit deep level kunnen vier dingen gebeuren, namelijk electron capture (a), electron emission (b), hole capture (c) en hole emission (d). Een trapping event is (a)+(b) of (c)+(d). De tijd tussen bijvoorbeeld (a) en (b) is dan de trapping time. Generation en recombination zijn respectievelijk (b)+(d) en (a)+(c). Een deep level gedraagt zich als G-R center wanneer de energie dicht bij het midden van de bandgap zit. Wanneer de energie meer aan de randen zit, gedraagt hij zich meer als trap. In de praktijk kunnen we de termen G-R center en trap door elkaar gebruiken en kunnen we stellen dat alle deep levels zich gedragen als trap [13] Interface traps Nu we weten waar traps vandaan komen, kunnen we een volgend onderscheid maken, namelijk in interface traps en bulk traps. Het is een simpel ruimtelijk onderscheid. Als je een gateoxidelaagje hebt bevinden de interface traps zich aan het interface met silicium, en de bulk traps bevinden zich binnenin het oxidelaagje. Een kleine onduidelijkheid is overigens dat interface traps wel deep levels kunnen zijn; deep slaat namelijk op de bandgap en interface slaat op de positie in het laagje. 14

15 5.5. Eigenschappen van traps Traps hebben een capture time constant τ c en emission time constant τ e. Dit zijn respectievelijk de tijd die het duurt totdat er een ladingsdrager gevangen wordt, en de tijd totdat deze weer losgelaten wordt, gegeven een willekeurig trapping event. Deze tijden zijn natuurlijk niet altijd gelijk, maar als je het gemiddelde neemt hebben sommige soorten traps een laag gemiddelde en andere een hoog gemiddelde. Voor een mooie visualisatie zie figuur 6.7 in het volgende hoofdstuk. Je kunt ook elektrische eigenschappen associeren met een groep traps. Een groep traps heeft bijvoorbeeld een capaciteit. Dit is logisch als je bedenkt dat traps elektrische lading kunnen vangen en opslaan (door middel van trapping events), dat is namelijk precies wat een condensator ook doet. Een groep traps heeft ook een weerstand, want als de ladingsdragers de hele tijd getrapt worden heeft dat een beperkende invloed op de stroom. Je hebt dus nu al een R en een C. En wat heeft een schakeling met een R en een C? Precies, een RC-tijd, de tijd die het duurt voordat hij opgeladen is (en in dit geval: totdat alle traps in de groep hun lading hebben gevangen). De waarde 1/RC wordt ook wel de tijdconstante τ genoemd en het is een belangrijk kenmerk van een groep traps. Deze elektrische tijdconstante is bovendien het gemiddelde van de capture en emission time constants van alle traps in de groep. Met de tijdconstante kun je onderscheid maken tussen fast traps en slow traps. Fast traps hebben een hoge tijdsconstante en reageren snel en adequaat op een voltageverandering, slow traps doen er langer over. Waar je de grens legt tussen fast traps en slow traps is een keuze, die leg je bijvoorbeeld bij een bepaalde tijdsconstante, of bij een bepaalde wisselspanningsfrequentie. Bij hoge frequenties doen de slow traps niet mee, en bij nog hogere frequenties fast traps ook niet meer. Op basis hiervan zijn uiteraard meetmethoden ontwikkeld die uitspraken doen over de hoeveelheid fast en slow traps, hierover later meer. Het R en C model is natuurlijk een macroscopisch model, op microscopische schaal is het wat ingewikkelder. Daarom is er onder andere het Shockley-Read-Hall model. Dit model introduceert de capture cross section van een trap, dit kun je zien als de waarschijnlijkheid dat een trap een lading vangt. Het is niet moeilijk in te denken dat deze grootheid direct te relateren is aan de eerder genoemde tijdconstante. Hoe hoger de kans dat er een lading gevangen wordt, hoe sneller natuurlijk alle traps hun lading gevangen hebben. 15

16 5.6. Trapped charge Wanneer er lading in een trap gevangen wordt, wordt het een getrapte lading (trapped charge) genoemd. Bij SiO 2 kun je een verdeling maken in 4 soorten ongewenste ladingen in een materiaal (figuur 5.3) [12]. Deze classificatie is in principe ook geldig voor alternatieve high-k gateoxides zoals HfO 2 [13]. Het gaat om: - interface trapped charges, lading precies op het interface - fixed oxide charge, vaste oxidelading in de buurt van het interface - oxide trapped charge, mobiele oxidelading verspreid over de hele laag - mobile ionic charges, zoals bv. Sodiumionen Alleen interface trapped charge en oxide trapped charge hebben te maken met het trapping mechanisme wat hierboven is uitgelegd. De andere twee charges komen in het materiaal bij productie en blijven die lading steeds houden. Je hebt dan dus te maken met een ongewenste vaste lading in het materiaal, Figuur 5.3: de vier soorten trapped charges maar niet met een extra capaciteit. De lading kan tenslotte niet opgeslagen of weer losgelaten worden Ongewenste invloeden van traps Traps hebben allerlei nadelige effecten op de elektrische eigenschappen en de levensduur van het materiaal. We zullen er een aantal noemen. Alle vaste lading in het gateoxide is eigenlijk ongewenst, dus ook getrapte lading. Deze lading zorgt voor een verschuiving van de C(V) curve naar rechts of naar links, en dus voor een verschuiving van de threshold voltage, het schakelpunt van de transistor. Echter als je precies weet hoe groot de afwijking zal zijn, kun je het corrigeren door het dopen van je poly-silicium gate [1]. Verder is het zo dat traps in het algemeen veroorzaker zijn van een verminderde mobiliteit van ladingsdragers: reduced mobility. Elektronen of gaten worden namelijk gevangen in de traps en het kost energie om ze er weer uit te halen zodat ze weer verder kunnen. Dit resulteert in een lagere I(V). Traps hebben een nadelige invloed op de elektrische eigenschappen van de gateoxidelaag. Dit kun je illusteren met behulp van de equivalente circuits van figuur 5.4. In (a) zien we dat het laagje kan worden gemodelleerd door de capaciteiten C ox (de laag), C P en C N (positieve en negatieve ladingsdragers), C B (bulk traps) en C it (interface traps). In accumulatie (b) en inversie bij lage frequentie (d) zijn C P resp. C N heel groot en verdwijnt daardoor de invloed van C B en C it. Echter in depletie (c) is de invloed van bulk en interface traps sterk merkbaar (dit is dan ook duidelijk te zien in C-V grafieken) en bij hoge frequenties in inversie (e) wordt de capaciteit van bulk traps merkbaar. [13] Ook geldt dat hoe meer traps, hoe hoger de leakage current. Traps kunnen fungeren als tussenstapjes voor een elektron om door de normaliter sterk isolerende gateoxidelaag heen te tunnelen (dit verschijnsel heet trap assisted tunnelling). 16

17 Bovendien is het zo dat als er eenmaal traps ontstaan, dat daaromheen na verloop van tijd nieuwe traps ontstaan. Bijvoorbeeld door hot carrier degradation. Traps hebben dus invloed op de levensduur van een materiaal, want als deze degradatie escaleert krijg je o.a. een te hoge lekstroom (leakage current) en werkt de transistor niet meer goed. Figuur 5.4: equivalente circuits waarin de capaciteiten van bulk traps (C B ) en interface traps (C it ) zijn meegenomen. (b)-(e) stellen de versimpelde situaties voor bij verschillende biascondities: accumulatie, depletie, inversie hoge frequentie, inversie lage frequentie. 17

18 18

19 6. MEETMETHODEN Er zijn verschillende procedures om metingen aan een MOS structuur te doen en zo iets te kunnen zeggen over het aantal traps in het materiaal. We kunnen onderscheid maken tussen elektrische methoden en methoden die gebruik maken van microscopie. Bij elektrische methoden meet je elektrische eigenschappen van de gehele laag, zoals bijvoorbeeld stroom of capaciteit tegen spanning (IV en CV metingen). Voor sommige methoden is een MOS laag voldoende, andere methoden zoals charge pumping vereisen een MOSFET structuur. Bij microscopie technieken moet je denken aan bijvoorbeeld AFM of TEM, toegepast op het oppervlak of op een doorsnede van de gateoxidelaag in kwestie Elektrische meetmethoden Door IV en CV curves van een MOS structuur te bestuderen kun je met enig boerenverstand op het gebied van elektrotechniek al dingen zeggen over traps. Traps houden namelijk lading vast, of laten die juist weer los, en doen dat snel of juist langzaam (fast vs. slow states). Dat zie je in de curves terug. Je kunt dus altijd een kwalitatieve beschouwing maken van metingen. Daarnaast zijn er nog een aantal methoden waarmee kwantitatieve informatie kan worden verkregen over het aantal traps, de soort traps (bulk of interface) en aanverwante informatie zoals de tijdconstante van de traps. We zullen een aantal van deze methoden bespreken, sommige uitgebreider dan andere C-V meetmethoden Een populaire manier om traps te onderzoeken is om C(ω, V) van een MOS laag te meten. Een voordeel is dat je geen MOSFET structuur nodig hebt. Er zijn verschillende manieren om uit deze gegevens informatie over traps te halen. Het boek van Nicollian [14] beschrijft drie methoden, de zogeheten Capacitance methods, voor het bepalen van de dichtheid van interface traps (D it ). Deze methodes gaan ervanuit dat je de interface traps kunt modelleren met een equivalent circuit (figuur 6.1). De eerste en ook oudste methode is de methode van Terman. Hiervoor heb je C-V Figuur 6.1: equivalent circuit voor de capaciteitsmethoden. metingen bij hoge frequentie (HFCV) nodig. Bij hoge frequenties hebben de meeste interface traps niet genoeg tijd om de spanning te volgen. Je mist dus hun capaciteit, waardoor je een hoger voltage nodig hebt om nog de gewenste capaciteit te krijgen. Er treedt een zogenaamde stretch-out op (figuur 6.2), waaruit je de informatie over interface traps kunthalen. Echter, voor een numerieke evaluatie van D it moet je ook vrij precies de dopingconcentratie van het materiaal weten. Deze methode is niet heel nauwkeurig en wordt dus weinig gebruikt. 19

20 De tweede methode is de quasistatische methode van Berglund. Deze werkt met lage frequentie C-V metingen (LFCV). Als je bij voldoende lage frequentie meet, geef je de interface traps genoeg tijd om te reageren op de opgelegde spanning, voordat de spanning weer verandert. Het is dan net alsof statische situaties elkaar opvolgen, vandaar de naam quasi-statisch. Deze methode levert ander soort curves op dan Figuur 6.2: stretch-out in de C-V curve voor hoge frequenties. de HF-metingen (zie figuur 6.3). Bij deze methode zit de informatie niet in de stretch-out van de curve, maar in de extra capaciteit die er is omdat er interface traps zijn. Volgens het boek van Schroeder [13] kan de quasistatische methode kan ook worden uitgevoerd door I-V metingen te doen. De C LF (lage frequentie) curve wordt daar vervolgens uit bepaald door de formule: I = C LF dv dt G In deze formule gaat men ervanuit dat I de displacement current is en niet de Figuur 6.3: de (ideale) low-frequency curve lekstroom. Vaak heb je echter wel veel last van lekstroom. Daarom is er nog een derde methode om de quasistatische techniek uit te voeren, namelijk het meten van Q-V (charge-voltage). Er kan vrij exact worden gemeten hoeveel lading er beweegt na een verandering in V. Vervolgens kun je uit Q weer I bepalen, en daarmee C LF. De derde methode komt oorspronkelijk van Castagné en Vapaille. Zij combineerden gegevens uit metingen bij hoge en lage frequentie. Deze methode is nauwkeuriger dan de HFCV methode omdat C s (uit het circuit van figuur 6.1) direct gemeten kan worden en niet hoeft te worden berekend. Ook heb je bij deze methode geen gegevens nodig over het dopingprofiel. Deze methode werkt echter alleen goed in zwakke inversie. Schroeder [13] beschrijft nog de Gray-Brown methode, waarbij je high-frequency C-V curves meet bij verschillende temperaturen. Het is een snelle, maar niet heel nauwkeurige methode. Naast informatie over interface traps is het ook mogelijk om met CV metingen uitspraken te doen over bulk trapped charges (zoals fixed oxide charges, mobile charge etc.) Schroeder [13] beschrijft dit als volgt: je vergelijkt de gemeten curves met theoretische curves (berekend uit o.a. dopingconcentratie en diëlektrische constante), en uit het verschil bepaal je de waarden/concentraties van de getrapte ladingen. Moderne studies geven steeds betere vergelijkingen voor theoretische C-V curves. 20

21 6.1.2 Conductance methode (Nicollian-Goetzberger) Deze methode [13,14] werd voor het eerst voorgesteld door Nicollian en Goetzberger in 1967 en wordt gezien als een betrouwbare methode om de interface trap density D it te bepalen. Ook kun je er de tijdsconstante τ van de traps mee bepalen. Bij deze methode meet je C(ω,V) en G(ω,V). De methode werkt bij bias-spanningen in depletie en zwakke inversie. De methode stoelt op het model van figuur 6.4. In dit model worden interface traps beschreven als een conductance die zich parallel aan de laag bevindt. Dit model is een afleiding van het Capacitance model uit de vorige paragraaf (figuur 6.1). Figuur 6.4: equivalent circuit voor de Nicollian-Goetzberger methode. De waarde van de parallelle conductance G p bereken je uit de meetwaarden met de volgende formule (bron: Sze). G P ω = G 2 m ωc 2 ox G 2 + ω ( C ox m C m ) Het handigst is om G p nu alvast om te rekenen in een waarde per cm 2, door te corrigeren voor het meetoppervlak en te delen door C ox is te bepalen als de capaciteit die je meet wanneer de MOS structuur in accumulatie is. De kern van de methode is nu dat je G p /ω uitzet tegen ω. Uit die grafiek kun je een piek halen, (G p /ω) max.wanneer de MOS structuur zich in depletie of zwakke inversie bevindt kun je de waarde van deze piek vervolgens relateren aan D it. De reden dat dit werkt is dat G p /ω het verlies voorstelt wat optreedt door interface traps, en het maximale verlies kun je relateren aan de interface trap dichtheid. Dit doe je d.m.v. de formule: D it G p = ω max f ( σ ) s waarbij f een vrij ingewikkelde formule [12] is, en σ s (standard deviation of band bending) een uitdrukking is voor de statistische verdeling van de traps over het interface. σ s kun je halen uit de breedte van het piekje. Je kunt ook aannemen dat de verdeling uniform is, in welk geval de formule reduceert tot [13]: D it = 2.5 G p q ω max waarbij q = 1.6x10-19 en D it in ev -1 cm

22 6.1.3 Charge pumping methode Deze methode werkt op een MOSFET in plaats van op een MOS structuur en wordt gezien als de beste methode om D it te bepalen wanneer je een MOSFET tot je beschikking hebt. De gebruikte opstelling staat in figuur 6.5. Hij werkt als volgt; source en drain leg je aan elkaar en je zet er een licht negatieve spanning op; op de gate zet je een blokgolf die tussen inversie en accumulatie schakelt. Vervolgens meet je de charge pumping stroom I CP die gaat lopen en hieruit kun je D it berekenen. Dit kan omdat wanneer je van accumulatie naar inversie schakelt, de interface traps niet mee doen, maar andersom wel. Zo onstaat er een tekort aan elektronen, en dus een kleine stroom I cp die te meten is. Figuur 6.5: de schakeling die wordt gebruikt bij charge pumping. V G is de input. Gemeten worden de kleine variaties in I cp DLTS/PITS DLTS en PITS zijn twee manieren om zogenaamde deep level impurities (of deep levels) te bestuderen. Zoals eerder uitgelegd zijn dit impurities met een Fermi energie die diep in de bandgap zit, dus niet dicht bij de conductie- of valentie-energie. Met DLTS kun je onder anders de capture cross section en de dichtheid van de deep levels bepalen. DLTS is een afkorting voor Deep Level Transient Spectroscopy. Het werkt als volgt. Wanneer je de capaciteit C meet als functie van de tijd dan zal dit een exponentieel dalende curve opleveren. De tijdconstante waarmee deze curve daalt zal varieren met de temperatuur. Voor verschillende temperaturen krijg je dus curves die met verschillende snelheid dalen. Wanneer je bij elk van deze curves twee samples neemt op dezelfde tijdstippen t 1 en t 2, en voor elke Figuur 6.6: DLTS spectroscopy. Links: C(t) curves voor verschillende T. Rechts: per curve het maximum verschil tussen meetpunt t 1 en t 2, uitgezet tegen T (grafiek staat op zijn kant, om het verband met de curves goed aan te geven). 22

23 temperatuur het capaciteitsverschil dc meet wat er tussen die samples is, levert dit een DLTS spectrum op. In dit spectrum (een dc-t grafiek) zit een maximum. Zie ook figuur 6.6. Variaties op deze techniek zijn onder andere D-DLTS (Double Correlation DLTS, twee grafieken gebruiken ipv één), CC-DLTS (door V te varieren hou je C constant met een feedback techniek, en je leest de data nu af uit de V(t)-grafiek), etc. De PITS techniek staat voor Photo-Induced Transient Spectroscopy. Hier meet je niet de capaciteit maar de stroom. Door lichtpulsen op het sample te schijnen krijg je steeds een bepaalde waarde voor de stroom I, waarna een dalende I(t) curve volgt, vervolgens weer een puls etc. De dalende I(t) curve kan worden bestudeerd met dezelfde techniek als bij DLTS Random Telegraph Signal (RTS) Als je in gatestroommetingen de gatespanning heel laag maakt, en de MOSFET is heel klein (0.1 x 1.0 µm) dan worden er discrete spanningsovergangen zichtbaar (figuur 6.7). Dit heten zogenaamde RTS signalen (Random Telegraph Signal). In de figuur zijn metingen te zien die op een SiO 2 MOSFET genomen zijn [17]. De spanningsovergangen zijn toe te wijzen aan individuele traps. De tijdsconstanten voor emissie en capture zijn direct af te lezen, en je kunt er een statistische analyse op uitvoeren om erachter te komen of er veel langzame traps zijn of juist veel snelle. Figuur 6.7: discrete pulsen, ook wel random telegraph noise genoemd. Deze pulsen worden toegewezen aan het laden/ontladen van een individuele trap. [17] 23

24 6.1.6 Overige methoden Er zijn nog diverse andere elektrische methoden om iets over traps te zeggen. Schroeder beschrijft de TVS methode (Triangular Voltage Sweep), de MOSFET Subthreshold Current Method, de Charge transfer loss in charge-coupled devices (CCD) en de ESR (Electron Spin Resonance) methoden. Het voert te ver om die hier allemaal te gaan beschrijven. In plaats daarvan kunnen we concluderen dat je, omdat een materiaal met traps zich op allerlei manieren anders gedraagt dan een materiaal zonder traps, op verschillende creatieve manieren methoden kunt construeren om deze traps te detecteren. Veel methoden zijn uit behoefte ontstaan in de jaren 60 bij de aanvang van de siliciumrevolutie. Tegenwoordig met high-k zie je dat onderzoekers de oude methoden weer uit de kast trekken en ze, waar nodig, aanpassen, uitbreiden en/of toespitsen op de huidige apparatuur en meetbehoefte. Naar verwachting zal deze ontwikkeling voortduren, en naarmate er meer bekend wordt over de specifieke oorsprong van traps zullen er misschien nog wel betere technieken ontstaan Niet-elektrische meetmethoden Optische technieken Voor optisch karakteriseren van dunne films zijn er verscheidene optische technieken beschikbaar. Deze methoden worden meestal gebruikt om de dikte van de film te bepalen. Er valt echter nog meer informatie uit de metingen te halen dan alleen de filmdikte. Voor een uitgebreide beschrijving van de meest populaire optische technieken, zie [2]. Voor ons onderzoek is echter maar één methode van bijzonder belang: Spectral reflectometry Laten we beginnen met het definiëren van de complexe brekingsindex N van een medium: N = n ik ( i = 1) N is dus een eigenschap van het materiaal om licht door te laten (n) en gedeeltelijk te absorberen (k). De waarde van k heeft invloed op de reflectiviteit R van het materiaal: R = 2 2 ( n 1) + k 2 2 ( n + 1) + k Hier zijn n en k afhankelijk van de golflengte van het licht λ. Bij aanwezigheid van een film maken deze afahnkelijkheid van de golflengte en meervoudige reflecties in de film de formule voor R veel complexer. Met spectral reflectance methode wordt geprobeerd de waarde van de filmdikte d, n, k en E g te bepalen door de lichtintensiteit van een het normaal opvallende licht op het medium te meten. Er wordt dan een computer gebruikt om theoretische verbanden van n en k uit te rekenen en een zo goed mogelijk R-λ match te produceren voor de R-λ metingen. Voor media zonder absorptie (k=0) worden n en k als functies van λ benaderd door 2 4 ( λ) = a + b / λ c / λ n + 24

25 b' ( 1/ λ 1/ c' ) ( λ ) = a' e k Waar a, b, c en a, b en c de fitting parameters zijn [2]. Voor gedeeltelijk absorberende media worden n en k als functies van energie (E=hc/ λ) benaderd door E + C 0i 0 ( E) = n( E = ) + E B E + n 2 i ( E) q ( E E ) q Ai g = E B E + C k 2 i i 2 B i i i C i Hier zijn A i, B i en C i afhankelijk van de elektronische structuur van het materiaal en E g is de energie bandgap. E g is de enegie waarvoor k(e) een absoluut minimum heeft. B0i en C 0i zijn afhankelijk van deze vier waarden. Het getal q bepaald het aantal termen dat gebruikt worden in de som. Voor q=1 beschrijven deze vergelijkingen de spectra van een amorfe structuur. Hogere orde termen (q>1) ontstaan door polykristallijne of kristallijne materialen. Elk term in de som voor n(e) en k(e) maakt een piek of een daal in de bijbehorende spectra [2]. Deze vergelijkingen gelden voor een breed gedeelte van het elektromagnetische spectrum, van ultraviolet tot een deel van infrarood. Bovendien zijn ze ook gerelateerd door Kramers-Kronig dispersie relatie die n en k zelfconsistent maakt [9,16] Structurele oppervlakte- en filmanalyse Voor hoge resolutie beelden van de kristalroosters van de films worden vaak elektronenmicroscopen gebruikt. Hiervan bestaan er twee variaties, scanning electron microscope (SEM) en transmission electron microscope (TEM). Hier mee kunnen onder andere defectstructuren, interne kwaliteit en defecten, het beeld van atomen op de interface en kristalstructuren van de films worden onderzocht. Informatie over de structuur van substraat- en filmgrenslagen zoals details van film-nucleation, groeiproces, kristallografie van deposits en oppervlaktereconstructies wordt met behulp van atomic force microscope (AFM) en scanning tunneling microscope (STM) verkregen [2]. Scanning electron microscopy (SEM) In een SEM wordt het sampleoppervlak door een elektronenbundel gebombardeerd. Deze elektronen hebben een energie van gemiddeld 30 kev. Deze elektronen veroorzaken dan drie soorten straling vanuit het materiaal. Met juiste typen van detectoren kunnen verschillen aspecten van het materiaal onderzocht worden. Op het oppervlak van het materiaal tot een diepte van enkele angstroms, komen de zogenaamde secondaire elektronen vrij. Deze hebben een lage energie en zijn zeer goed geschikt voor het maken van drie dimensionale afbeeldingen van het sampleoppervlak. Het contrast en deze plaatjes wordt veroorzaakt door het feit dat bij hellingen op het oppervlak er meer secondaire elektronen vrij komen dan bij vlakke gedeelten. De tweede soort straling bestaat uit elastisch terugverstrooide elektronen die dieper in het materiaal zitten. Deze hebben vrijwel evenveel energie als de invallende elektronen. De kans op terugkaatsing hangt af van het atoomnummer Z van het materiaal, maar deze afhankelijkheid (~0.05Z 1/2 ) is niet sterk genoeg om soorten elementen te identificeren [2]. Toch kunnen duidelijke scheidingslijnen ontstaan waar elementen met een groot verschil in Z-waarde zitten. De patronen 25

26 veroorzaakt door deze elektronen kunnen gebruikt worden om kristallografische oriëntatie van het materiaal te bepalen. Er komt ook röntgenstraling vrij. Door de energie van deze straling te meten kan de type van de atomen worden bepaald en door ze te tellen kan de concentratie van de atomen worden bepaald. Dit is de X-ray spectroscopy en het heet X-ray energy dispersive analysis (EDX) en is altijd gekoppeld aan een SEM. Transmission electron microscopy (TEM) Er is een belangrijk verchil tussen SEM en TEM. Een TEM is een echte microscoop in die zin dat het beeld van het materiaal in een keer wordt geproduceerd. Bij een SEM zijn er meerdere iteraties nodig om een beeld te vormen. Bovendien heeft TEM een grotere oplossend vermogen dan SEM. Dit komt door de hoge energie elektronen met een energie tussen 125 tot 300 kev (of soms zelfs 1 Mek). Volgens debroglie vergelijking, ( 2 ) 1/ 2 λ = h / mqv, hebben deze elektronen een golflengte van 0.037Å of lager wat resulteert in een betere vergroting. Een TEM werkt als een diaprojector met een dunne film als dia. In TEM vallen de elektronen op een stuk dunne film en als de film dun genoeg is gaan ze daar doorheen. De verstrooiing die deze elektronen tijdens dit proces ondergaan, bepaalt het type informatie dat wordt verkregen. Diffractiepatronen ontstaan door elastische verstrooiing, zonder verlies van energie als gevolg van interacties met de atoomkernen. Inelastische interacties met roosterelektronen op grain boundaries, dislocatie, defecten en dichtheidvariaties maken complexe absorptie en verstrooiing effecten en leiden tot variatie in de intensiteit van getransmitteerde bundel. Door verschillende soorten en combinaties van elektromagnetische lenzen te gebruiken, kunnen gegevens als beeld of analytische data verkregen worden. Deze combinaties zijn de operationele modes van TEM en zijn beschreven in boek van Ohring [2]. Scanning tunneling microscope (STM) In een STM wordt het topje van een zeer scherpe naald, met een topdiameter van enkele atomen dik, over het materiaal geschoven. De naald wordt op een hoogte van ongeveer 1 nm van het sampleoppervlak gehouden. Het potentiaalverschil tussen de naald en het materiaal V T (meestal millivolts tot enkele volts) veroorzaakt een stroom i. De richting van de stroom hangt af van V T. De STM kan in twee modi worden gebruikt. In de eerste mode wordt de naald op gelijke hoogte gehouden ten opzichte van het sampleoppervlak. Dit wordt gerealiseerd door een elektronisch feedback systeem dat de hoogte van de naald continu bijstelt. De absolute verschuiving van de naaldtop wordt gebruikt om een beeld te creëren. In de tweede mode worden de stroomveranderingen gemeten en gebruikt voor het creëren van het beeld. Atomic force microscope (AFM) Een variant van STM is AFM waarin in plaats van de stroomsterkte de elektrische kracht tussen de atomen van de naald en die van het monster gemeten. Dit wordt gedaan met een veersysteem waarvan de veerconstante kleiner is dan de veerconstante van de atomen zelf. Voor een beschrijving in meer details zie [2]. Evenals STM kan een AFM ook in twee modi worden bediend. Als de naald het monster niet aanraakt en zich op een hoogte van enkele tien of honderden angstroms bevindt, werken de van der Waals krachten op de naald en wordt deze aangetrokken naar het monster. Dit is bekend als 26

27 het noncontact AFM (NC-AFM). In een contact AFM raakt de naald het te onderzoeken monster. Hier de elektronenwolken overlappen en de naald word afgestoten. Door deze aantrekking- of afstotingskrachten te meten, kan er een beeld worden gevormd van het oppervlak van het monster Chemische karakteriseermethoden Voor het identificeren van de elementen waar een dunne film uit bestaat en het bepalen van de hoeveelheid hiervan, zijn er vele verschillende technieken en gereedschappen beschikbaar. Hiervan is de Rutherford backscattering (RBS) methode van belang voor het onderzoek naar eigenschappen van Hafnium films. Deze wordt hier besproken. Voor meer details over technieken voor chemische identificatie zie [2]. Rutherford backscattering (RBS) In deze methode wordt de elastische botsing tussen atoomnuclei gebruikt om de chemische samenstelling van het materiaal te bepalen. In een RBS wordt het materiaal met lichte ionen zoals 4 He + van bijvoorbeeld 2Mev beschoten. Deze kernen maken vrijwel geen schade aan het oppervlak van materiaal, maar dringen diep in het materiaal door tot soms enkele micrometers. Ze raken echter hun energie kwijt door de elektronen in het materiaal in een aangeslagen toestand te brengen. Dit proces verloopt lineair met de indringdiepte. Sommige kernen dringen door de elektronen wolken heen en botsen direct tegen de atoomnuclei waar ze na een elastische botsing in een hoek θ terugkaatsen. De energie van een ion dat terugkaatst kan met de volgende vergelijking worden berekend: E 1 = ( M M sin θ ) 0 M 0 1/ 2 + M + M 0 cosθ 2 E 0 Hier is M 0 de atoommassa het ion, M de atoommassa van de beschoten atoomkern en E 0 de initiële energie van het ion. Met een vaste waarde voor M 0, θ, en E 0 hangt de waarde van E 1 alleen af van M. Dus door E 1 te meten kan worden bepaald tegen welke atoomsoort het ion gebotst heeft. Als het ion dieper in het materiaal dringt voordat het teruggekaatst wordt, geldt de energieverandering waarbij rekening wordt gehouden met het gegeven dat de energie van het ion lineair afneemt met twee keer de indringdiepte maal een constante (zie fig. 6.8). Figuur 6.8: Terugkaatsing van de ionen vanaf voor- en achteroppervlak van een 900 Å dikke PtSi film (Bron: [2]) 27

28 Toepassing op Hafniumoxide en Hafniumsilicaat films Optische analyse Voor het onderzoeken van interfacetoestanden en defecten van films waarin Hafnium is verwerkt, is net zoals meeste andere films de filmdikte het eerste waar metingen op worden verricht. Optische analyse is dan ook de meest voor de hand liggende methode. Er kunnen ook technieken zoals TEM worden gebruikt, maar over het algemeen bij zeer dunne films zijn de resultaten verkregen met optische technieken en TEM soms niet in overeenstemming. Wij hebben voor dit onderzoek geen optische metingen kunnen doen. Daarom hebben we gebruik gemaakt van de resultaten uit een proef met Hafniumoxide en Hafniumsilicaat die vermeld staat als referentie [9]. Hier komen de dikte metingen door middel van optische technieken en TEM wel overeen (zie ook volgende sectie). In fig. 6.9a is te zien hoe de reflectiviteit van de film afhangt van de dikte daarvan. Deze spectra zijn van de films met een dikte variërend tussen 20 en 70Å en een referentiespectrum van Si. De theoretische fit voor een 58Å HfO 2 film is te zien in fig. 6.9b. Deze gegevens kunnen worden gecombineerd om met Figuur 6.9: (a) Reflectiespectra van dunne HfO 2 een bepaalde golflengte de dikte van de oxidelaag films op Si (b) n en k analyse van de HfO 2 film. zeer nauwkeurig op verschillende plaatsen te meten en zodoende de toestanden en discontinuïteiten van de interface te bepalen. 28

29 TEM analyse TEM word ook gebruikt om beeld van dwarsdoorsneden van dunne films te maken. Hiervoor worden films in plakjes gesneden en gepolijst totdat de film dun genoeg is voor gebruik in TEM. In fig zijn enkele voorbeelden van deze toepassing te zien. Met deze techniek kan de dikte van de lagen en de positie van de onderdelen goed woorden bepaald. Figuur 6.10: TEM dwarsdoorsnede beelden van HfO 2 op Si (Bron: [9]). Figuur 6.11: RBS spectra van (a) Hf silicaat (b) Si (bron: [9]) Nucleaire analyse met behulp van RBS In fig. 6.11a zijn de spectra van Hf silicaat en Si te zien die verkregen zijn met behulp van RBS techniek. Hieruit kan de dikte van Hf-laag, de concentratie en de manier waarop het verspreid is, worden bepaald. In fig. 6.11b is het spectrum van Si te zien. 29

30 30

31 7. HAFNIUMOXIDE Het wordt tijd om ons te toe te gaan spitsen op hafniumoxide. In de afgelopen jaren is er veel aandacht gegaan naar het gateoxidelaagje in de MOSFET. Het huidige SiO 2 voldoet niet meer, er moet een materiaal met een hogere diëlektrische constante (k-waarde) komen. Veel van deze zogenaamde high-k materialen zijn bestudeerd. Omdat wij niet onbeperkt de tijd hadden voor ons project leek het ons het beste om één materiaal uit te kiezen, en zo komt het dat we hebben gekozen voor hafniumoxide Structuur van hafniumoxide Wanneer de temperatuur beneden 320 ºC is, is hafniumoxide amorf. Tussen de 320 ºC en 365 ºC begint het te kristalliseren[15]. Dit gebeurt overigens niet in een monokristallijne structuur, maar een polykristallijne. Dat wil zeggen, het kristal is niet overal gelijk maar bestaat uit afzonderlijke kristallijne korrels. In figuur 7.1 wordt het verschil tussen kristallijn (a), amorf (b) en polykristallijn (c) goed geïllustreerd. Allereerst wordt gekristalliseerd in een monoclinische structuur (figuur 7.2). Rond de 1700 ºC vindt een overgang plaats naar een tetragonale structuur. Boven de 2600 ºC vormt zich een kubische structuur (figuur 7.3) en rond 2700 ºC ligt het smeltpunt[18]. Figuur 7.1: schematische weergave van een kristallijne (a), amorfe (b) en polykristallijne (c) structuur. Figuur 7.2: HfO 2 in monoclinische kristalstructuur (365 ºC < T < 1100 ºC) Figuur 7.3: HfO 2 in kubische kristalstructuur (T > 2600 ºC) 31

32 7.2. Hafniumoxide als high-k materiaal De belangrijkste eisen aan een high-k materiaal zijn de volgende (bron: Wilk): - Een k-waarde die significant hoger is dan k=4 (SiO 2 ) - Thermodynamische stabiliteit in contact met silicium - Goede kwaliteit van het interface met silicium - Een goede morfologie (amorf, of kristallijn met weinig defecten) - Compatibiliteit met poly-silicium gates - Opschaalbaarheid van de benodigde groei/depositietechniek - Een goede betrouwbaarheid en levensduur Voor een uitgebreide toelichting van al deze eisen verwijzen wij naar het artikel van Wilk, Wallace en Anthony. Ook komen de verschillende eisen nog ter sprake bij de behandeling van depositietechnieken. Hafniumoxide scoort goed met betrekking tot de gestelde eisen. De k-waarde is ongeveer 25, HfO 2 is stabiel op silicium en kan goed worden gedeponeerd wanneer je eerst een laagje SiO 2 deponeert om een begin te maken. Het voornaamste probleem is de grote hoeveelheid defecten/bulk traps in het materiaal. Een ander nadeel is dat HfO 2 niet direct op Si gegroeid kan worden, je hebt een dun SiO 2 laagje nodig om het proces mee te starten. Hierdoor daalt de k- waarde naar ± Traps in hafniumoxide Bij recente metingen aan HfO 2 -lagen worden er te veel bulk traps ontdekt, in de orde van traps/cm 3. Het is nog niet precies bekend wat nu de oorzaak is van deze grote hoeveelheid traps. Men twijfelt tussen oxygen vacancies (het ontbreken van zuurstofatomen) en grain boundaries (zie het vorige hoofdstuk). De grain boundaries hangen samen met de morfologie van hafniumoxide. HfO 2 blijft amorf tot ongeveer 300 ºC, daarna vindt kristallisatie plaats. Tenzij je epitaxiaalgroei toepast, wat nog niemand gelukt is, wordt dit een polykristallijne structuur en die hebben een hoop grain boundaries, waaraan defecten optreden. Om traps tegen te gaan, is het dus beter om hafniumoxide amorf te houden door onder de 300 ºC te blijven. Je hebt dan geen grain boundaries en dus minder traps. De huidige procestechnologie maakt echter gebruik van annealtechnieken die plaatsvinden bij temperaturen rond de 800 ºC. Als deze technieken niet worden toegepast krijg je slechte kwaliteit interfaces. Maar als je ze wel toepast krijg je dus veel bulk traps. Hoe kun je dit dilemma oplossen? Een aantal mogelijkheden zijn: - Een nieuwe depositietechniek die epitaxiaal een monokristallijne structuur groeit - Een nieuwe anneal techniek die onder de 300 ºC blijft - Een nieuwe depositietechniek die een kwalitatief goede amorfe laag kan groeien zonder dat er anneals nodig zijn - Proberen om hafniumoxide te mengen met een ander materiaal, zoals Si, zodat de kristallisatietemperatuur omhoog gaat, en je alsnog de anneals kunt toepassen zonder dat er kristallisatie optreedt. Nadeel hiervan is weer dat je k-waarde lager wordt. 32