Μελέτη της επίδρασης του αζώτου στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων MOS σε πυρίτιο υπό μηχανική τάση

Abstract

Strained-Silicon (s-Si) substrates provide mobility enhancement for both electrons and holes. The formation of dielectrics on s-Si is important for device performance. In this work, a systematic study of the oxidation and oxynitridation of s-Si was performed. Two s-Si substrates of different strain level were examined and oxynitrides were formed by (a) oxidation in 100% N2O ambient and (b) thermal oxidation of Nitrogen implanted s-Si. Standard thermal oxidation of s-Si was examined as well. The formation of Nitrogen enriched dielectrics was optimized leading to oxynitrides with excellent electrical properties. UV-Raman spectroscopy was applied in order to study post-thermal process stress by isolating the s-Si signal. Additionally, the effect of the s-Si overlayer thickness on the MOS electrical properties was examined. Further analysis applying measurements at elevated temperatures showed thermally activated charge trapping mechanisms. Post oxidation thermal annealing experiments revealed the effect of increased thermal budget and of Ge diffusion on the electrical and structural properties of the device. It was found that both interfaces (s-Si/SiGe and s-Si/SO2) contribute to the electrical properties of the MOS structure.

Το πυρίτιο υπό μηχανική τάση είναι το σημαντικότερο υπόστρωμα αυξημένης ευκινησίας καθώς προσφέρει υψηλότερη ευκινησία φορέων όντας συμβατό με την ήδη υπάρχουσα τεχνολογία πυριτίου και η ανάπτυξη διηλεκτρικών σε αυτό είναι σημαντική για την απόδοση των δομών μικροηλεκτρονικής. Στη παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων δομών τύπου μετάλλου – οξειδίου – ημιαγωγού (MOS) σε υπόστρωμα πυριτίου υπό μηχανική τάση (s-Si) και μελετήθηκε η επίδραση του αζώτου στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Χρησιμοποιήθηκαν δομές s-Si/Si1-xGex/Si δύο διαφορετικών επιπέδων μηχανικής τάσης. Ως μέθοδος ανάπτυξης των διηλεκτρικών χρησιμοποιήθηκε η θερμική οξυνιτριδίωση σε περιβάλλον 100% Ν2Ο και η εμφύτευση αζώτου Ν2 + χαμηλής ενέργειας εμφύτευσης, ενώ παράλληλα μελετήθηκε και η ανάπτυξη κοινών θερμικών οξειδίων. Ευρέθη ότι ο εμπλουτισμός των διηλεκτρικών με άζωτο είναι εφικτός και βελτιστοποιήθηκαν οι συνθήκες για τις οποίες προσδίδει άριστα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά στις δομές s-Si MOS. Με χρήση φασματοσκοπίας UV-RAMAN επιτεύχθηκε η απομόνωση της κορυφής του s-Si και μελετήθηκε η μηχανική εκτατική τάση μετά το πέρας των θερμικών διεργασιών. Επίσης, διαπιστώθηκε η εξάρτηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων από το πάχος του εναπομείναντος υμενίου s-Si και αναδείχθηκε η συνεισφορά των δύο διεπιφανειών που υπάρχουν στη δομή (s-Si / SiO2 και s-Si / SiGe).Περαιτέρω ανάλυση ανέδειξε τους μηχανισμούς παγίδευσης φορέων και τον θερμικό τους χαρακτήρα. Τέλος, πειράματα θερμικής ανόπτησης μετά την οξείδωση για παρατεταμένους χρόνους, ανέδειξαν την επίδραση του αυξημένου θερμικό κόστος και της διάχυσης του Ge, η οποία υπό συνθήκες δρα αντίθετα από όπως πιθανόν να αναμένονταν σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Συνολικά, η πρωτοτυπία της διατριβής έγκειται στην συστηματική μελέτη και βελτιστοποίηση ανάπτυξης νιτριδιωμένων διηλεκτρικών σε s-Si και στην ανάδειξη και μελέτη φαινομένων που σχετίζονται με τις ιδιαιτερότητες των υποστρωμάτων s-Si.