Electrophysical characteristics of germanium MIS structures with rare-earth element fluorides

Full Text

Введение

В процессе изготовления полевых транзисторов на кремнии с традиционно используемым слоем диоксида кремния (SiO₂) в качестве затворного диэлектрика возникает проблема слишком большого тока утечки через затворный диэлектрик, при уменьшении габаритов МДП-структуры. Так как эффективная толщина SiO₂ (диэлектрическая проницаемость k ~ 4) достигла пределов масштабирования, для материалов затвора широко применяются альтернативные материалы с большим значением диэлектрической проницаемости (high-k диэлектрики) для уменьшения тока утечки затвора, ответственного за увеличение потребляемой мощности [1]. При этом емкость МДП-структуры остается неизменной, а физическая толщина слоя диэлектрика увеличивается, что способствует уменьшению сквозного тока утечки через диэлектрик.

Перспективными high-k диэлектриками считаются HfO₂, ZrO₂, Y₂O₃, La₂O₃ и лантаноиды. Было обнаружено, что фтор улучшает характеристики устройств и их надежность на подложках Ge. С помощью плазменной обработкой CF₄ фтор может быть включен до или после осаждения затворного диэлектрика [2; 3]. Было показано, что на границе раздела high-k/Ge и в затворном диэлектрике HfO₂ фтор пассивирует кислородные вакансии и интерфейсные ловушки, что приводит к уменьшению интерфейсных и объемных ловушек [4].

Германий становится более актуальным материалом для каналов полевых транзисторов и одной из основных причин повышенного научного интереса к нему является в 4 раза большая дырочная и в 2 раза большая электронная подвижность носителей в объемном Ge по сравнению с подложками Si. В этой связи важной проблемой является интеграция Ge в качестве альтернативного канального материала в технологию изготовления высокоскоростных МДП-устройств и сопутствующего high-k затворного диэлектрика в качестве материала затвора.

В настоящей работе изучаются электрические свойства МДП-структур с фторидами редкоземельных элементов на подложке Ge для оценки возможности использования данных материалов в качестве затворных диэлектриков устройств на основе МДП-структур. Данные структуры изучаются также с точки зрения оценки деградации их электрофизических свойств под действием электрических полей.

1. Детали эксперимента

Для создания МДП-структур в качестве подложек использовались монокристаллические пластины германия n-типа ориентации (111) с удельным сопротивлением 2 Ом∙см. Фторидные пленки редкоземельного элемента (РЗЭ) получались методом термического распыления в вакууме порошкообразного трифторида РЗЭ на подогретые до ~300 °С подложки германия. Толщины 0,2–0,3 мкм являются наиболее оптимальным для изучения процессов деградации в МДП-структуре при электрической перегрузке (электроформовке). Далее на фторид РЗЭ наносились алюминиевые контакты диаметром 0,5–0,7 мм. На подложках Ge пленки РЗЭ имели поликристаллическую структуру и стехиометрический состав. Впоследствии с помощью атомно-силового микроскопа исследовалась поверхностная морфология пленок фторидов РЗЭ показавшая, что во всех случаях пленка представляет собой совокупность отдельных кристаллов размера ~60–120 нм, ориентированных в преимущественном направлении.

Проводился комплексный мониторинг изменения свойств германиевых МДП-структур с данными диэлектриками в условиях повышенных электрических полей. Деградация электрофизических свойств германиевых МДП-структур с пленками SmF₃, DyF₃, NdF₃ и TmF₃ исследовалась методом электроформовки, в процессе которой на структуры действовали электрические поля порядка 10⁸ В/м.

Процесс электроформовки состоит в том, что под действием электрического поля в диэлектрике создается канал проводимости. Однако это состояние не является необратимым, и при приложении напряжения обратной полярности имелась возможность переключения исследуемой структуры в диэлектрическое состояние. МДП-структуры с пленками фторидов РЗЭ обладают свойством бистабильного переключения [5], т. е. после каждого цикла электроформовки структура возвращается в диэлектрическое состояние, однако с новыми электрофизическими свойствами (ток утечки, эффективный заряд, плотность поверхностных состояний).

Изменение свойств МДП-структуры после нескольких циклов переходов из высокоомного в низкоомное состояние можно рассматривать как деградацию электрических свойств затворного диэлектрика и границы раздела диэлектрик - полупроводник.

2. Экспериментальные вольт-амперные характеристики

В настоящей работе представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур Al/SmF₃/nGe, Al/DyF₃/nGe, Al/NdF₃/nGe и Al/TmF₃/nGe, а также двойной пленочной структуры Al/CeF₃/DyF₃/nGe; в высокоомном состоянии все они практически симметричны при обеих полярностях приложенного напряжения. ВАХ структуры Al/SmF₃/nGe показана на рис. 1, а в исходном высокоомном состоянии и после нескольких циклов переключения.

 

Рис. 1. ВАХ в исходном состоянии и после нескольких циклов электроформовки, номер цикла указан: а – структура Al/SmF₃/nGe; б – структура Al/DyF₃/nGe, ВАХ построена в двойных логарифмических координатах

Fig. 1. I–V characteristics in the initial state and after several electroforming cycles, the cycle number is indicated: a – Al/SmF₃/nGe structure; b – Al/DyF₃/nGe structure, I–V characteristic plotted in double logarithmic coordinates

 

На рис. 1, б представлена прямая ветвь ВАХ, для структуры Al/DyF₃/nGe построенная в двойных логарифмических координатах в исходном высокоомном состоянии и после электрической перегрузки. Зависимость тока от напряжения имеет степенной характер, так как достаточно хорошо спрямляется в двойных логарифмических координатах. Аналогичные степенные зависимости наблюдались в работе [6] для кремниевых МДП-структур с оксидами редкоземельных элементов. Аналитическая зависимость плотности тока j от напряжения U описывается формулой

$j=eG\frac{U^{\gamma }}{d^{2\gamma -1}},$    (1)

где e – элементарный заряд; G – некая постоянная, зависящая от свойств изолятора (диэлектрической проницаемости, подвижности носителей заряда, эффективной плотности состояний в зоне проводимости, концентрации ловушек вблизи дна зоны проводимости); d – толщина диэлектрика; γ – показатель степени.

При увеличении числа циклов электрической перегрузки наблюдается увеличение тока через затворную структуру для всех исследованных структур. Напряженность электрического поля при электроформовке (0,5–4 МВ/см) недостаточна для того, чтобы привести к повреждению горячими носителями объемного диэлектрика (6 МВ/см). Таким образом, в эксперименте механизм проводимости определяется электрическими свойствами диэлектрика рядом с границей раздела. Например, теми, что связаны с существованием ловушек и их энергетических уровней. Другая причина в том, что полной гомогенизации пленки не происходит при обратном переключении в высокоомное состояние. Другими словами, на месте канала проводимости остаются либо локальные включения с высокой проводимостью, либо канал проводимости конечной длины. Это приводит к изменению толщины слоя диэлектрика d в формуле (1), при этом ток растет. Значения плотности тока при напряжении 6 В для исследованных пленок фторидов РЗЭ представлены в таблице.

3. Экспериментальные вольт-фарадные характеристики

Электрически активные поверхностные состояния и зарядовое состояние МДП-структур можно оценить с помощью вольт-емкостных характеристик (C-U). На рис. 2 показаны C-U характеристики на частоте 1 МГц структуры Al/DyF₃/nGe в исходном состоянии (0) и после электрической перегрузки (1). На изменение напряжения плоских зон и увеличение плотности поверхностных состояний указывает растяжение вольт-фарадных характеристик по оси напряжений.

 

Рис. 2. Вольт-фарадные характеристики структуры Al/DyF₃/nGe в исходном состоянии (0) и восстановленной после электроформовки (1)

Fig. 2. Capacitance-voltage characteristics of the Al/DyF₃/nGe structure in the initial state (0) and restored after electroforming (1)

 

Распределение энергетической плотности поверхностных состояний  в запрещенной зоне германия рассчитывалось из зависимости поверхностного потенциала от напряжения U по формуле:

$D_{it}=\frac{C_D}{e^2}\left(\frac{dU}{d{\varphi }_S}-1\right)+\frac{C_s}{e^2},$    (2)

где C_D – емкость изолятора; e – элементарный заряд;  – емкость области пространственного заряда;  – величина поверхностного потенциала. Данный метод дает U-образный вид энергетического распределения D_it в запрещенной зоне германия для исследованных структур. В настоящей работе за значение плотности поверхностных состояний принималось значение в минимуме распределения. Рассчитанные значения также представлены в таблице.

 

Таблица. Значения толщины диэлектрика d_ox, диэлектрической проницаемости k, плотности тока J при 6 В, энергетической плотности поверхностных состояний D_it для германиевых МДП-структур

Table. Values of dielectric thickness d_ox, dielectric constant k, current density J at 6 V, energy density of surface states D_it for germanium MIS structures

Пленка фторида РЗЭ	dox, нм	k	В исходном состоянии		Восстановлена после электроформовки
			J, 10–10 А/cm2	Dit, 1012 эВ–1см–2	J, 10–10 А/cm2	Dit, 1012 эВ–1см–2
TmF3	306	6	2,94	1,55	3,20	3,43
NdF3	800	12	4,67	1,44	4,61	1,67
SmF3	210	11–11,5	2,41	1,77	3,73	2,28
DyF3	300	8,5	3,63	0,88	3,53	1,35
DyF3–CeF3	–	–	3,91	1,32	3,06	1,84

 

Заключение

Исследования показали, что все структуры имеют примерно одинаковое значение плотности поверхностных состояний на границе раздела фторид РЗЭ/германий. В то же время в МДП-структурах с более тонкой пленкой фторида тулия и фторида самария токи утечки меньше, чем в МДП-структурах большей толщины с пленкой фторида неодима. Также при использовании двойной пленочной структуры фторида диспрозия и фторида церия эффекта уменьшения плотности тока не наблюдается. У TmF₃ и DyF₃ меньшее значение диэлектрической проницаемости. Таким образом, для уменьшения тока утечки наиболее перспективным материалом при сравнительно высоком значении диэлектрической проницаемости в германиевых МДП-структурах является фторид самария.

About the authors

Natalia V. Sachuk

Samara National Research University

Email: serebroxx@yandex.ru

Leading Specialist of the Department of Postgraduate and Doctoral Studies

Russian Federation, Samara

Margarita B. Shalimova

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: shamb1347@gmail.com

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Solid State Physics and Non-Equilibrium Systems

Russian Federation, Samara кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела и неравновесных систем

References

Supplementary files