Universitatea Politehnica BucuretiDepartamentul de Matematic i FizicCaracterizri electrice ale dispozitivelor de tipMOS cu poart dielectric de permitivitatemare crescut pe siliciu- Tez de doctorat -Conductor tiinific,Prof. Dr. Constantin P. CristescuBogdan Mereu- Bucureti, 2004 -23Cci nsi persistena lucrurilor, ordinea, poziia, i micarea lor, i legtura reciproc a celorde la extremiti prin cele din mijloc, nepgubindu-se unele pe altele prin opoziie, apoiconvergena prilor n ntreguri i unirea deplin a ntregurilor cu prile, distincianeamestecat a prilor nsele ntre ele, dup diferena caracteristic a fiecreia, i unirea frcontopire ntr-o identitate neschimbat a ntregurilor i, ca s nu le spun pe toate, adunarea ideosebirea tuturor fa de toate i succesiunea inviolabil a tuturor i a fiecreia dup speciaproprie, necorupndu-se nicidecum raiunea proprie a firii i neconfundndu-se cu altceva ineconfundnd nimic,- arat clar c toate se susin prin purtarea-de-grij a lui Dumnezeu care le-a fcut....Fiindc spre lucrare au fost fcute toate cele create, iar toat lucrarea este spre o intfinal, ca s nu rmn nedesvrite.Sf. Maxim Mrturisitorul, Ambigua45Mulumiri La realizarea acestei lucrri au participat i ajutatmai multe persoane. Dintre acestea, Prof.Dr. Constantin P. Cristescu i Dr. MarinAlexe auavutocontribuie decisiv din punctdevedere tiinific i moral. A dori s le mulumesc pe aceast cale.De asemenea, a dori s mulumesc urmtorilor: Prof. Dr. Toni Boil, Dr. Lucian Pintilie, Dr. Ioana Pintilie, Dr. Eugenia Penia,George Sarau, Marian Lic i Viorici Stancu din Laboratorul de Semiconductoridin INCDFM pentru ajutorul i sfaturile date; Dr. Cristina Stan de la Universitatea Politehnica Bucureti pentru ajutorul acordatn simularea numeric; Dr. AthanasiosDimoulas i membrilor grupului sudinInstituteofMaterialsScience, National Center for ScientificResearchDemokritos", Atena, pentrufurnizarea probelor; J. C. Hooker andZ. RittesmadelaPhilipsResearchLeuvenpentruajutorulacordat n procesarea probelor; Dr. RolandScholz delaMax PlanckInstitutfrMikrostrukturephysik, Halle,pentru analiza de microscopie TEM; Prof. Dr. Horst Beige i Dr. Martin Diestelhorst de la Martin-Luther-UniversittHalle-Wittenberg pentru discuiile utile avute n legtur cu dinamicile neliniaredin structurile cu straturi subiri feroelectrice. Tuturor colaboratorilor din cadrul proiectului european INVEST (Integration ofvery high-k dielectrics with silicon CMOS technology), sub auspiciile cruia s-audesfurat cercetrile.Doresc s multumesc tuturor colegilor i prietenilormei de la INCDFM Mgurele i MaxPlanck Institut fr Mikrostrukturephysik, Halle, pentru ajutorul i sprijinul acordat n cursulultimilor trei ani.67Cuprins 1 Introducere .................................................................................................................. 92 Aspecte ale integrrii dielectricilor de permitivitate mare n tehnologia CMOS.... 112.1 Limitri ale dioxidului de siliciu ca dielectric de poart....................................... 112.2 Alternative pentru creterea n continuare a performanelordispozitivelor MOSFET........................................................................................ 152.3 Cerine ale integrrii dielectricilor de permitivitate mare n tehnologia CMOS.... 173 Metode de caracterizare electric a filmelor dielectrice subiri .............................. 353.1 Studiul mecanismelor de transport electric prin filme izolatoare subiri ............... 363.2 Analiza de semnal mic a dispozitivelor MOS ........................................................ 443.3 Capacitorul Metal-Oxid-Semiconductor la frecvene joase................................... 483.4 Capacitorul MOS la frecvene medii i nalte ....................................................... 493.5 Metode de determinare a parametrilor dispozitivelor MOS cu ajutorul capacitii524 Metode experimentale ............................................................................................... 714.1 Prepararea probelor ............................................................................................ 714.2 Aranjamente experimentale .................................................................................. 744.3 Prepararea probelor i aranjamentul experimental almsurtorilor structurilor pseudo-MOS ............................................................... 765 Rezultate experimentale i discuii. Dispozitive de tip MOS cu oxizi de poart depermitivitate mare ..................................................................................................... 795.1 Oxidul de itriu Y2O3.............................................................................................. 805.2 Titanatul de stroniu SrTiO3................................................................................. 975.3 Aluminatul de lantan LaAlO3...............................................................................1045.4 Hafniatul de lantan La2Hf2O7..............................................................................1126 Rezultate experimentale i discuii. Dinamici neliniare i comportare haotic .....1256.1 Dinamici neliniare n structuri Metal-Feroelectric-Metal....................................1256.2 Model al structurii MIS ntr-un circuit serie RLC................................................1276.3 Oscilator intrinsec - structura MFS sub excitare de semnal mare........................1306.4 Rezultate experimentale, simulri numerice i discuii.........................................1316.5 Concluzii .............................................................................................................1447 Rezultate experimentale i discuii. Tranzistor cu efect de cmp pe baz destructuri pseudo-MOS de tipul CdS/SiO2/Si ...........................................................1477.1 Rezultate experimentale i discuii.......................................................................1487.2 Concluzii .............................................................................................................1528 Concluzii ...................................................................................................................1538.1 Dispozitive de tip MOS cu oxizi de poart de permitivitate mare .........................1538.2 Dinamici neliniare i comportare haotic............................................................1578.3 Tranzistor cu efect de cmp pe baz de structuri pseudo-MOSde tipul CdS/SiO2/Si ............................................................................................1599 Anexe.........................................................................................................................161ANEXA 1 Fenomene de tunelare ..................................................................................161ANEXA 2 Teoriile emisiei termoionice i difuziei .........................................................170ANEXA 3 Sarcina i capacitatea de joas frecven a suprafeei Si..............................174ANEXA 4 Aproximaiile capacitii suprafeei Si la frecvene joase .............................181ANEXA 5 Capacitatea de nalt frecven a suprafeei Si.............................................18310 Referine bibliografice..............................................................................................187891 Introducere Industria microelectronic bazat pe tehnologia siliciului s-a aflat, nc din momenteleapariiei sale n urm cu peste patru decenii, ntr-o continu dezvoltare. Criteriile care stau labazaevalurii ascensiunii microelectronicii sunt performaneledispozitivelor logice i dememorie. nvedereacontinurii mbuntiriiacestoravafi necesar nurmtoriianisserealizeze schimbri majore n tehnologiile siliciului.nceeaceprivetetranzistorulMOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor- MOSFET), acesteschimbri cuprindimplementareaunor noi arhitecturi dedispozitiv, nlocuirea polisiliciului ca electrod de poart cu un electrod metalic sau schimbareadielectricului de poart actual, dioxidul de siliciu, cuun material dielectric de permitivitatemare. n scopul identificrii celui mai potrivit dielectric de poart i a modalitii de integraren tehnologia CMOS sunt necesare studii ale proprietilor structurale, termodinamice,electrice ale straturilorsubirin contactcu substratele de siliciu. nlucrarea de fase vorprezenta rezultatele studiilor comportrilor electrice ale structurilor de tip Metal-Oxid-Semiconductor (MOS) realizatepebazaunor oxizi depermitivitatemare(Y2O3, SrTiO3,LaAlO3 i La2Hf2O7). Investigaiileaufost efectuateprinutilizareametodelor clasicedecaracterizare a dispozitivelor MOS, i anume analiza de semnal mic a impedanei i studiulmecanismelor de conducie.Lucrarea este alctuit din trei pri distincte:a)Studiul dielectricilor de poart de mare permitivitatepentruaplicaiileCMOSdemic putere, dup cum a fost artat mai sus. Acestei teme i sunt dedicate patru capitole: Capitolul 2, n care este descris problematica actual a dielectricilorde poart ntehnologia CMOS. Esteargumentatnecesitatea nlocuirii SiO2cadielectricdepoart i sunt nfiate cerinele pecarenoul material trebuieslendeplineascpentru o efectiv integrare n tehnologia CMOS; Capitolul 3 cuprinde pe scurt teoria dispozitivelor MOS, cu un accent deosebit puspe metodele de caracterizare utilizate n mod uzual pentru determinarea parametrilorfizici de interes i pentru evaluarea calitii acestor dispozitive. Se descriu la nceputtipurile principale de conducie electric prin straturile subiri izolatoare, apoimetodele analizei de semnal mic: metodele capacitii, metoda conductanei. Metodele i aranjamentele experimentale utilizate pentru obinerea rezultatelor de peparcursul ntregii lucrri sunt descrise n capitolul 4.10 Capitolul 5 este dedicat prezentarii investigaiilor efectuate asupra a patru materialeoxidicedepermitivitatemare, enumeratemaisus. Pentruaceastaaufost utilizatemetodele experimentale expuse n capitolul 3.Dintre materialele studiate hafniatul delantan (La2Hf2O7) s-a dovedita fi cel carepoate satisface n cea mai mare msur cerinele de integrare n tehnologia CMOS.b) n continuare, capitolul 6 este dedicat analizei de semnal mare a structurilor de tipMetal-Izolator-Semiconductor (MIS) i a dinamicilor neliniarecepot conducelaapariiahaosului. Se va prezenta pe scurt i fenomenul rezonanei stocastice, identificatn sistem caorigine a activrii unor frecvene joase n spectrul de putere. Capitolul cuprinde ctevaconsideraii generale teoretice asupra comportrii structurilor MIS n condiii de excitare cusemnalede mareamplitudine, realizateprinextindereaanalizei clasicedesemnal micadispozitivelor MOS, prezentat n capitolele anterioare. Experimental, ca material izolator afost folosit titanatul de bismut (Bi4Ti3O12), un binecunoscut feroelectric. Se va arta c analizade semnal mare poate dezvlui aspecte ale comportamentelor electrice care nu se manifest ncadrul unei inspecii de tip clasic.c) n capitolul 7 se va prezenta un model al structurilor de tip pseudo-MOS cu efect decmp pe baz de CdS ce au aplicaii poteniale n fotodetecie. Sunt descrise attcaracteristicile experimentale, tipice de tranzistor, cti cele ce nu prezint saturareacurenilor de dren i se propune un model teoretic prin care curbele experimentale sunt bineaproximate de cele teoretice n cazul folosirii unor valori corespunztoare ale parametrilor dinsistem.n ultimul capitol, al 8-lea, se afl expuse concluziile rezultatelor prezentate n ntreagalucrare.Dispozitivele de tip MOS au oferit pentru o lung perioad de timp avantajul utilizriica instrument de studiu al proprietilor de baz ale materialelor constituiente, fiind n acelaitimp uor de fabricat. De asemenea, pornind de la acestea s-au dezvoltat i se pot dezvolta ncontinuare o serie de alte dispozitive cu posibile aplicaii n industria semiconductoare i nunumai.Daclucrareadefa, cecuprindetemedecercetaredindomenii diferite, vaofericititorilorfie inumai omicmbogire a cunotinelor, atunci scopul ei se consider afiatins.112 Aspecte ale integrrii dielectricilor de permitivitate mare n tehnologia CMOS 2.1Limitri ale dioxidului de siliciu ca dielectric de poartIndustria semiconductoare a cunoscut n ultimele decenii o dezvoltare spectaculoas.Rspndireatot maimareainformaticiinaproapetoatesferelesocietii, ncercareadeapstra ritmul dezvoltrii n domeniu au influienat cerinele existente pe piaa calculatoarelor.Celemai importantecerinesereferlacretereavitezei deprocesareainformaiilor, lascderea rspndirii aplicaiilor de mare putere i la existena unor domenii lrgite de tensiunepentru sursele de putere i tensiunile de ieire [1].Unicitatea sistemului Si-SiO2Dezvoltrile tehnologice au facut ca prin utilizarea numai a unui numr limitat de materiale sse reueasc obinerea unor performane notabile, cumar fi micorarea lungimii poriitranzistorului MOSFET sub 50 nm i a grosimii fizice a oxidului de poart pn la 1.2 nm ncazul microprocesoarelor de generaie 90 nm[2]. Acest lucru este datorat n principalsistemului SiO2-Si care a permis evoluia performanelor circuitelor integrate prin integrareape scar larg i foarte larg fr modificarea conceptual a dispozitivelor semiconductoare.Avantajele principale ale dioxidului de siliciu sunt legate de modul relativ uor de obinere,respectivoxidareatermicasiliciului, careimplic i realizareaunuifoartebuncontrol algrosimii i calitii oxidului pe plachete de pn la 300 mm diametru. Din punctul de vedereal caracteristicilorfizico-chimice, interfaa SiO2-Si este unic. Trecerea de la un material laaltul sefaceabrupt, interfaafiindplanlanivel monoatomic, iar densitateadestri deinterfa poate fi cobort pn la valori foarte mici, de ordinul 109eV-1cm-2[3]. Explicaiaeste dat de caracterul foarte flexibil al structurii SiO2. Diferena de densitate dintre cele doumateriale determin existena unui numr mai mare de legturi atomice nesatisfcute lasuprafaa siliciului. De aceea la interfa legturile nesatisfcute ale siliciului se leag unele cualtele n perechi sau formeaz legturi cu atomii de oxigen de la suprafaa SiO2, fie singulare12fie prin realizarea unor poduri de oxigen ntre atomii de Si [4, 5]. Mai mult, prin injecia dehidrogensepot pasiva ialtelegturinesaturate existentelainterfa. Atomiidehidrogendifuzeaz rapid prin stratul de SiO2 i reacioneaz cu atomii de siliciu [5]:H Si H Si + ' ' . (2.1)Alte avantaje ale sistemului Si-SiO2 constau n(1) stabilitatea electric a interfeei;(2) stabilitate termic la temperaturi nalte i(3) rezistena la strpungere dielectric a SiO2 la cmpuri electrice mari de aproximativ10 MV/cm. Din raiuni de fiabilitate ns n practic nu se depesc 3,5 MV/cm [6].Limitri ale SiO2 ca dielectric de poart curenii de poartn ciuda marilor avantaje ale sistemului Si-SiO2, nnoile generaii de dispozitive MOSFETtrebuie s se in cont de limitrile fizice ale dioxidului de siliciu ultrasubire. Acestea pot fimprite n dou categorii:a) Limitri datorate modificrilor parametrilor fizici ai SiO2. Investigaii EELS(electron energy loss spectroscopy) efectuate pe straturi ultrasubiri de SiO2 crescute pe Si cugrosimi cuprinse ntre 7 i 15 au artat c banda interzis a structurii SiO2 (de aproximativ9 eV n volum) se formeaz complet dup numai 2 straturi atomice de la interfaa cu Si [1, 7].ntr-unmodel propusdeNeaton[8] sestabileteolegturdirectntrelrgimeabenziiinterzisenSiO2 i numruldeatomideoxigenvecini deordinuldoipentruunatomdeoxigen din strat. Astfel, n mod normal n volum un atom de oxigen are 6 vecini, dar atomiisituai la suprafaa SiO2 nu pot avea ase atomi vecini de O. Numai ncepnd cu cei situai nal doilea strat atomic se poate considera c banda interzis atinge valoarea de volum. Nivelullacareestesituat acest strat estedat delungimealegturii dintreatomii deSi situai lasuprafa si primul strat de oxigen (1,6 ) plus distana medie dintre doi atomi de oxigen nvolumul dioxidului de siliciu (2,0-2,4 , depinznd de orientarea legturilor). n total pentru osingur interfa este necesar ogrosime minim de 3,6-4,0 , i astfel se poate deduce cpentruunstrat ultrasubire, undeexistdouinterfee, grosimeaminimnecesarformriicomplete a benzii interzise este de 7-8 . Valoarea obinut este n bun acord cu rezultateleexperimentale [7, 9] i cu alte modele teoretice [10].PentrudispozitiveleMOSFETogrosimeaporiiSiO2sub8ardeterminaapariiaunor cureni de poart foarte mari datorai n principal tunelrii directe prinbariera depotenial extremdesubire idenlimeredus. Nivelul marealcurenilor depoartnupermit o funcionare normal a tranzistorului construit cu straturi ultrasubiri de 8 .Pe de alt parte, msurtorile de aliniere a benzilor de valen ale Sii SiO2(spectroscopie fotoelectronic de raze X - XPS) [11], a masei efective electronice de tunelare(msurtori curent-tensiune I-V) [12] i a lungimii de atenuare fotoelectronice [13] efectuatepe straturi SiO2cu grosimi de peste 20 au artat c aceti parametri rmnpracticneschimbai pentru domeniul de grosimi investigate.b)Dioxiduldesiliciuutilizat cadielectricdepoartntranzistoareleMOSFETestelimitatn grosime de cerinele de operare ale circuitelor integrate. Pentru grosimi ale SiO2mai mari de 13-15 s-a demonstrat posibilitatea de operare satisfcatoare a tranzistorilor deinivelul curenilor de scurgere este mare, aproximativ 1-10 A/cm2[14-19].Pentru grosimi ale dielectricului de poart de sub 13-14 puterea electric disipat nstarea off a tranzistorului este comparabil cu puterea activ, ceea ce este n contradicie cunsui principiul de baz al tranzistorului [20]. Realizarea unui dispozitiv MOSFEToperaional n aceste condiii devine imposibil.13S-a artatc pentru grosimi ale SiO2mai mici de tox=13-14 exist ocorespondenfoartebun ntrecaracteristicile msurate i celesimulatealecurentului depoart[20].Simularea a fost realizat presupunnd o densitate a trapelor de interfa nul i o tensiune depoartdevaloareVg=-1,5V. Aceastademonstreazcmecanismuldominant detransportelectric prin dioxidul de siliciu ultrasubire este tunelarea direct, tunelarea asistat de trapeavndoinfluienneglijabil. Prinurmarescdereacurenilordescurgeredepoartnusepoate realiza prin micorarea densitii de trape la interfaa Si-SiO2.Consecinele miniaturizrii asupra dispozitivului MOSFETSe va prezenta n continuare n mod succint modul n care este privit necesitatea micorriigrosimii dielectricului de poart din punctul de vedere al designer-lor circuitelor integrate ilimitrile ce apar din aceast perspectiv.Se poate spune c prin miniaturizare performanele circuitelor integrate se mbuntescconsiderabil princretereavitezei decomutareatranzistorului, disiparemicdeputere iocuparea unor suprafee mici pe chip [6]. Modelul iniial de miniaturizare a fost propus i pusn practic de cercettori ai IBM[21] i const n conservarea cmpului electric dindielectricul de poart. Pentru a realiza aceasta sunt micorate cu acelai factor toatemrimile geometrice i tensiunile operaionale ale dispozitivului MOSFET: lungimeacanalului L, limeacanalului W, adncimileregiunilor dedepleiealejonciunilor dintresurs/dren i substratxj, grosimea dielectricului de poart d, tensiunile de dren i de pragVD i VT, iar concentraia de dopani din substrat este crescut de ori. Prin acest concept deminiaturizareefecteledecanal scurt rmnsubcontrol, curentuldedrenscadede ori,timpul de comutare de asemenea scade de ori, iar puterea disipat de 2ori. n acest mod s-arealizat tranzistorul de lungime a canalului 1 m. Aplicarea n continuare a acestui model deminiaturizare a ntmpinat o serie de greuti, printre care: Deviaiadetemperaturatensiunii depragVTcuaproximativ12mV/C, [22]datorat dependenei de temperatur a potenialului Fermi. Aceasta determin apariiaunei fluctuaiiatensiuniidepragrelativmare, avndnvedere domeniul largdetemperatur (-55C+125C) pentru care dispozitivele sunt garantate. Scderea tensiunii depragdetermin ocretereimportant a curentuluide drennstarea OFF a dispozitivului, comparativ cu curentul de dren din starea ON. Valori aletensiunii de prag mai mici de 0.40.5 V conduc la creteri mari ale puterii disipate nstarea OFF. Adncimeazoneidedepleieajonciunii nuscadenacelai ritmcudimensiunilefizice ale dispozitivului, ceea ce favorizeaz efectele nedorite de canal scurt. Printre cerinele de proiectare ale circuitelor integrate se afl i stabilitatea funcionriin prezena zgomotului (ceea ce implic existena unei tensiuni de alimentare relativmari), precum i meninerea tensiunilor de alimentare la un nivel constant, determinatdetipul deaplicaie, cumar fiTranzistor-TranzistorLogic(TTLcuotensiunedealimentare de 5 V) sau Low Voltage TTL (tensiune de alimentare de 3.3 V). Mai mult,timpul decomutare, unparametruesenial ndefinireacreterii deperformanaMOSFET-ului, variaz invers proporional cu tensiunea de alimentare. Prin urmare seobserv existena unor cerine contradictorii (cf. i punctelor anterioare).Dezavantajele miniaturizrii cu pstrarea unui cmp electric constant n dielectricul de poartaudeterminat apariiaunuinouconcept deminiaturizare, ianumelegeademiniaturizaregeneralizat [23]. n cazul acesta tensiunile se micoreaz cu un factor mai mic dect factorulgeometric . Aceast soluie de compromis ntre miniaturizarea cupstrarea unui cmp14constant i cea a unei tensiuni constante conducela creterea cmpurilordin dielectric i acelui de-alungul canalului. Un cmpputernicncanal crete energia electronilor(ncazulnMOSFET-urilor), asa-numiiielectronifierbini(hot electrons), carepot generaperechielectron-gol n substrat. Energia acestora poate fi att de mare nct s depeasc bariera depotenial de la interfaa Si-dielectric de poart, ptrunznd n dielectric i determinndnrutireaunorparametridefiabilitatecumar fiTimeDependent DielectricBreakdown(TDDB) i degradarea dispozitivului indus de purttori fierbini.Curenii de poart i aplicaiile CMOSCerinele de performan ale dispozitivelor MOSFET depind de tipul de aplicaie vizat. Pentruperformane nalte este necesar o miniaturizare ct mai puternic, ceea ce nseamndimensiuni ct mai reduse ale tranzistorului, grosimi mici ale dielectricului de poart, curenidescurgereimportani i prinurmareconsummaredeputereelectric. Cretereaputeriielectrice este limitat n aplicaiile de nalt performan de capacitatea limitat de rcire prinventilarea aerului [24].Unalt tipdecerinesteoperarealaunnivel sczut deputere, asigurat debateriiportabile. Scderea tensiunii de alimentare reprezint soluia de micorare a consumului, lucrucare a fost realizat n ultimii ani. Limitarea inferioar vine n acest caz din degradarea vitezeideoperareatranzistoarelordatoratreduceriiniveluluicurentuluidedren. Deasemenea,curentul de poart n domeniul de tensiuni de poart de sub tensiunea de prag crete, ceea cereprezint un dezavantaj.Curenii de tunelare de poart reprezint o limit semnificativ a miniaturizrii.Tensiunea de poart (V)Fig. 2.1 Curenii de tunelare calculai (linii) i experimentali (puncte) prin dioxidul de siliciu ultrasubire dinstraturile de inversie. Dup [25] i [26].n cazul dioxidului de siliciu scurgerile de curentdepesc limitele cerute pentru aplicaiileDRAM(DynamicRandomAccessMemory)pentrugrosimialedielectriculuidepoartde2,5-3 nm [25]. Pentru aplicaiile logice de mare putere aceast limit se situeaz sub 2nm.Dup cum se poate observa n fig. 2.1, pentru o grosime a SiO2 de 2 nm curentul de scurgerede poart va fi de aproximativ0,1 A/cm2la o tensiune de poart de 1,2 V. ncazuldispozitivelor MOSFET proiectate convenional, acest nivel de curent va contribui cu numaiciva miliwatt-i la consumul total al circuitului integrat, ceea ce poate reprezenta o problemnumai pentru aplicaiile de foarte mic putere. n privina nivelului de curent acceptabil pentruDensitateacurentuluidepoart(A/cm2)15aplicaiile de mare putere, sunt autori care indic o limit superioar situat n domeniul 1-10A/cm2[27-29] sau chiar de 100 A/cm2[18]. Dac se presupune c se pot accepta cureni descurgere cu un consum de putere de pn la un nivel de 10% din puterea consumat total,valori de aproximativ 1000 A/cm2sunt tolerabile pentru aplicaii logice de foarte mare putere[25].Dup cum s-a artat mai sus, grosimea minim acceptabil pentru SiO2 ca dielectric depoartestede1.3-1.5nm, carevafiatinsnurmtoareageneraiedeprocesoare. Pentrumbuntireaulterioaraperformanelor att alechip-urilor destinateaplicaiilor demareputere, ct mai ales a celor de consumredus, pentru care limita minim a grosimiidielectricului de poarta este atins, sunt necesare noi soluii.2.2Alternative pentru creterea n continuare aperformanelor dispozitivelor MOSFETPentrucretereadensitii tranzistoarelor pechip, avitezei deoperare i acapacitii deintegrare exist trei abordri diferite care pot fi urmate [25]:a) MiniaturizareancontinuareaMOSFET-ului ntr-omaniercarescompensezepstrarea constant a grosimii dielectricului de poart. Acest lucruse poate realizandoumoduri: prinreducereact de mult posibil a grosimii regiunii dedepleie nSi i prinmbuntireadopriidetiphalo. Dopareadetiphalocreeazunprofildedoparentreapt la marginile regiunilor de dren i de surs, ajutnd la scderea curentului surs-drenn starea OFF i crescnd totodat capacitatea jonciunii. Grosimea regiunii de depleie poatefi sczut fie prin creterea doprii substratului de Si fie prin polarizarea substratului n direct,care ns conduc la cureni mari n substrat.b) Schimbarea structurii dispozitivului astfel nct miniaturizarea s poat fi continuatchiar i n cazul unei grosimi constante a dielectricului de poart. Noul dispozitiv are o astfelde arhitectur nct practic poarta nconjoar canalul. Varianta cea mai studiat este DG-FET(DoubleGateFieldEffect Transistor)(fig. 2.2a), recent dezvoltndu-se iTri GateFET(fig. 2.2b) [2].S-aartat cacestegeometrii neplanareauposibiliti mai bunedeminiaturizarencomparaie cu dispozitivul MOSFET convenional [30, 31]. Un dezavantaj al acestordispozitive este nivelul ridicat de cuantificare al nivelelor energetice din zona canalului.c) Reducereacurenilor depoartdetunelaresepoatefaceprinutilizareaunui noudielectricdepoartcuopermitivitaterelativmare. Succesul noului material depindederealizarea unei uniformiti a stratului depus, posibilitatea de integrare n tehnologia CMOS asiliciului, existena unor reacii minime i controlabile cu Si sau electrodul de poart, sarcinifixe reduse n masa dielectricului, precum i un nivel sczut al trapelor la interfaa cu Si. Esteposibil de asemenea folosirea unor pori metalice, n care caz metalele de poart trebuie saaib lucrurile de extracie apropiate de cele ale polisiliciului de tip p i n n scopul obineriiunor tensiuni de prag reduse.16(a) (b)Fig. 2.2 Dual-Gate Field Effect Transistor (a) i Tri-Gate Field Effect Transistor (b), dou noi arhitecturi dedispozitiv realizate de Intel. Dup [2].Un dielectric de poart este caracterizat de trei grosimi:- grosimea fizic tox;- grosimea echivalent de tunelare toxT, ce reprezint grosimea dioxidului de siliciu carear pstra aceeai densitate de cureni de tunelare de poart ca i oxidul nlocuitor;- grosimeaechivalentaoxidului (toxC =EOTequivalent oxidethickness), definitprin grosimea stratului de SiO2 care ar prezenta o capacitate specific egal cu cea aoxidului.Grosimea fizic a noului dielectric este mai mare dect grosimea minim a SiO2 pentru toatetipuriledeaplicaii. Cerinadebazcaretrebuiendeplinitestegsireaunuidielectricdepoart care pentruo grosime echivalent de tunelare toxTegal cu cea minim a SiO2(specific fiecrui tip de aplicaie) s aib o grosime echivalent capacitiv toxC mult mai micdect grosimea minim a SiO2. ndeplinirea acestei cerine va permite continuareaminiaturizrii deoarece parametrul care se micoreaz n miniaturizare nu mai este grosimeafizic a dielectricului, ci grosimea echivalent capacitiv, ce poate atinge valori din ce n cemai mici i care pstreaz factorul de scdere a densitii de sarcin.ncontinuaresevordiscutaconstrngerileexistenteasuprautilizriidielectricilordemare permitivitate chiar n cazul n care cerinele de baz ale integrrii n tehnologia CMOSar fi ndeplinite.Pe msur ce permitivitatea dielectricului de poart crete grosimea fizic devine din cen ce mai important, determinnd creterea dimensiunilor dispozitivului i a penetrriipotenialului de dren n regiunile de sub poart [32, 33].S-aartat cgrosimeafizicadielectricului depoart trebuiesfientotdeaunamaimic dect adncimea de depleie n Si pentru a asigura o miniaturizare viabil adispozitivului cu creterea permitivitii . Implicaiile utilizrii dielectricilor de permitivitatemare asupraminiaturizrii circuitelorintegrate suntprezentate sugestivnfig. 2.3[25, 33],unde sunt indicate regimurile n care dielectricii de permitivitate mare pot contribui laminiaturizarea circuitelor integrate.17Fig. 2.3 Grafic de proiectare a unui dispozitiv MOSFET cu dielectrici de poart de diferite permitiviti. Fiecreivalori a permitivitii i corespunde, pentru o lungime dat a canalului (curbele de lungime a porii constant) ogrosime fizic a dielectricului de poart. Zona haurat corespunde unor variante nedorite, cu lungime a porii cenu satisface cerinele de miniatirizare (partea superioar a graficului) sau cu valori foarte mari ale curenilor descurgere (partea inferioar a graficului). Punctele reprezint exemplificri ale unor dielectrici variai. Dup [33].Regimurile de proiectare ale MOSFET-urilor sunt prezentate n figur ca o combinaie de treiparametri: permitivitatea i grosimea dielectricului de poart i lungimea porii. Oricare doidinceitreiparametrideterminnmodunivocpealtreilea. Regiuneahaurat(dinzonasuperioar a graficului) reprezint regimurile de proiectare cu dimensiuni mari aletranzistorilor (grosimemarea izolatorului), cenucorespundcerinelor miniaturizrii saucurenifoartemari descurgere (zonainferioara graficului)care reprezint, dup cums-aartatmai sus, unimpedimentn realizarea unuiMOSFETfuncional. Zona accesibilestesuprafaa nehaurat, n care se poate observa c lungimea porii variaz ntre aproximativ 19nm (limita minim ce se poate obine cu dioxidul de siliciu) i 15,5nm pentru o permitivitateapropiat de 80. Acestregim arputeamriminiaturizarea circuitelorintegrate cu20-30%[33] i este maximum de progres n miniaturizare ce poate fi realizat prin utilizarea n condiiiidealeadielectricilordepermitivitatemare, ceeacecorespundeprobabilunei singurenoigeneraii de procesoare.Se sper ca prin combinarea noilor dielectrici de poart cu arhitecturile de dispozitiv detip dual i tri-gate s se poat continua miniaturizarea dincolo de barierele indicate mai sus.2.3Cerine ale integrrii dielectricilor de permitivitate maren tehnologia CMOSProgresul n miniaturizare evaluat anterior i realizabil prin utilizarea dielectricilor depermitivitate mare reprezint deocamdat numai un progres potenial. Implementarea noilormateriale n producia de serie ntmpin o serie de dificulti, fiind necesare satisfacerea unorcerine minimale de integrare n tehnologia CMOS. Printre aceste cerine se numr [5, 34,35]:a) Dielectricul trebuie s aib o permitivitate suficient de mare;b) S fie stabil n contact cu siliciul i s suporte tratamente termice de ~900C;Permitivitatea relativGrosimeaizolaturului(nm)18c) S aib o band interzis suficient de mare (ce puin 4-5 eV) i s existe o aliniere ctmai simetrica benzilor energetice ale materialului de poart(fie polisiliciu, fiemetal), dielectricului i siliciului pentru a limita curenii de scurgere;d) S existe o densitate ct mai sczut de trape la interfaa dielectricului cu siliciul;e) S aib o grosime echivalent capacitiv EOT ct mai mic (sub 1 nm) la o grosimeechivalent de tunelare egal cu cea minim a SiO2 specific aplicaiei date [1, 36];f) Mobilitatea purttorilor minoritari n canal s fie cel puin 90%din mobilitateapurttorilordindispozitiveleMOSFETpebazdesiliciu, ceeacenecesitobuncalitate a interfeei dielectric-siliciu;g) NoileprocesetehnologicedefabricaressepoatintegrantehnologiaexistentCMOS, iar produciadedispozitiveintegratesfieeficientdinpunct devedereeconomic;h) S satisfac cerinele de fiabilitate necesare unei utilizri comerciale de durat.n continuare vor fi luate n discuie cele mai importante din criteriile enunate mai susi se va prezenta modul n care diferii dielectrici le satisfac.2.3.1 Stabilitatea termodinamicSelectarea dielectricilor pentru posibila utilizare ca dielectric de poart n dispozitiveleMOSFET s-a fcut n primul rnd innd cont de necesitatea existenei unei permitiviti marii a stabilitii n contact cu siliciul.nprezent sunt cunoscui muli dielectrici cupermitiviti relativemai mari de3.9,astfelnct sarcinadeaidentificaunulpotrivit pentruunanumit tipdeaplicaiepareafiuoar. Problema major care apare nc de la nceputul seleciei este faptul c majoritatea lornusunt stabili ncontact cusiliciul [34]. Dacesteposibil pentrubarieracineticceseformeazlainterfaa Si-dielectric slimiteze sauchiarsmpiedice posibilele reacii delainterfa, temperatura pe care aceast interfa trebuie s o suporte ntimpul procesriiMOSFET-uluiestedestul demare, astfelnct stabilitateatermodinamicnusemaipoaterealiza n cele mai multe cazuri. Tratamentele termice de activare a dopanilor implantai nMOSFET-uri se fac n prezent la temperaturi de aproximativ 1000C. Pn n anul 2005, seprevede ca temperatura s scad la 900C. Avnd n vedere existena unor temperaturi attde ridicate sunt necesare bariere cinetice mari pentru a prentmpina reacia dintre siliciu i undielectric care nu este stabil temodinamic n contact cu el.Reaciile dintre siliciu i dielectric vor conduce cu siguran la imposibilitateandepliniriicerinelordefuncionarealeMOSFET-ului. Spreexemplu, ncazulncareunprodus de reacie este un izolator cu o permitivitate redus, grosimea echivalent a oxidului vacrete, ceea ce nu este de dorit. Dac produsul de reacie este un conductor, prezena lui vaecranacmpul electricaplicat i vangreunainversarearegimului dinSi delainterfa,limitnd considerabil performana MOSFET-ului. Mai mult, creterea numrului de legturichimice nesatisfcute de la interfa (dangling bonds), care poate nsoi o reacie, va cretedensitatea de trape de interfa Dit.Unmijlocnaturaldeevitareareaciilordintreundielectricdemarepermitivitate isiliciu este selectarea unui dielectric stabil termodinamic n contact cu siliciul. Ca alternativ,se poate folosi ca dielectric de poart un material incompatibil din acest punct de vedere cu Si,dac acesta este separat fizic de substratul de siliciul printr-un strat tampon care este stabil ncontact att cu Si, ct i cu dielectricul. Indiferent de soluia adoptat, studiul dielectricilor demare permitivitate este un prim pas important pentru ndeplinirea obiectivelor propuse.19Cercetriledestabilitatetermodinamicnscopulidentificriidielectricilordepoartalternativi (sau straturi tampon pentru acetia) au cuprins toi oxizii binari (de tipul MOx) initrurile binare (de tipul MNx) n contact cu Si. Ordonnd dielectricii binari compatibili cu Sidup constanta dielectric s-a observat c mult mai muli oxizi binari au mare n comparaiecu nitrurile binare [34].Cei mai studiai dielectrici de permitivitatemareca poteniali dielectrici de poart aufost selectai dintre cei cu rezultate promitoare n dezvoltarea DRAM-urilor: Ta2O5, TiO2 i(Ba,Sr)TiO3. Toate aceste materiale suntns instabile din punct de vedere termodinamic ncontactcu Si la toate temperaturile din domeniul ce se ntinde de la temperatura camerei la1000C. Ca exemplu, reacia siliciului cu pentaoxidul de tantal este [37]:01000413.332 /2 5 2 213 522 2KG kJ molSi Ta O TaSi SiO =+ + (2.2)undeG01000Keste modificarea nenergia liber Gibbs a sistemului cndreacia dintrereactani i produi are loc n sensul indicat, toi fiind considerai n starea standard (indicelesuperior0) la temperatura de 1000 K. Reacii similare exist ntre Si, pe de o parte, i TiO2 iBaTiO3. Produiidereacieaupermitivitimici(SiO2, SrSiO3, BaSiO3) i, dupcums-amenionat mai sus, au efecte nedorite asupra performanelor electrice ale dispozitivuluiMOSFET. Observaiile experimentale de reacii interfaciale [38-45] sunt consistente cuconsideraiile termodinamice.Pentru identificarea materialelor ce pot fi folosite n aplicaiile de poart s-a dezvoltat ometod de eliminare dintre toii oxizii existeni a celor care reacioneaz cu siliciul latemperatura de 1000K[34]. Astfel, maintisepropun ctevaipoteze simplificatoare. Seconsider ointerfaidealntre siliciu i oxid, pentrucarelipsete odescriere detaliat icareesteprivitdinpunctuldevederealunuiexperiment mental. Analizatermodinamicpresupune dou ipoteze simplificatoare: i) include numai energiile libere de volum, energiiledeinterfaseneglijeaz; ii) reaciileceimplicspeciilegazoasenusunt considerate, lainterfaacelordousolideneexistndspaiupentruspeciilegazoase. ncazuldielectricilorfoarte subiri ambele presupuneri sunt discutabile. Pe msur ce stratul dielectric devine dince n ce mai subire, energiile libere de interfa devin mai importante i pot schimba semnulenergieilibereGibbs G, dacaceastmrimeesteapropiatdezero. Deasemenea, dacdielectriculestemai subireesteposibilcaanumitegaze(deexempluSiO) sprseascinterfaa dielectric/Si i s difuzeze prin filmul dielectric la temperaturi nalte [46]. Chiar dacpresupunerile adoptate nu sunt n totalitate valabile, metoda servete la descoperireadielectricilor care nu suntpotrivii i de asemenea la identificarea celormai buni candidai.Metoda a mai fost folosit pentru a determina diagramele de faz M-Si-O pentru M=Ti, Zr,Ta, Mo, andW[47-49]. Afost aplicattuturor oxizilor binari radioactivi (MOx) [50] initrurilor (MNx) caresunt solizi ncontact cuSi la1000K, precum i pentruevaluareastabilitii termodinamiceadielectricilor depoartalternativi ncontact cuelectrozii depoart [51]. Baza metodei const n faptul c orice reacie dintre siliciu i oxidul binar saunitrura binar luat n considerare care scade energia liber Gibbs a sistemului elimin practicposibilitatea ca dielectricul respectiv s nlocuiasc SiO2ca dielectric de poart. Estesuficient descoperirea unei singure reacii posibile la interfa, indiferent de ct de favorabileste aceasta. Chiar dac mai multe reacii sunt posibile, cteva reacii cheie pot fiidentificate prin considerarea diagramelor de faz metal-siliciu-(oxigen sau azot), sau M-Si-O/N, dupcum sepoate observanfig. 2.4(a). Pentrucaoxidulsaunitrurabinarsfiestabilncontact cusiliciul, compusulbinar iSindiagramadefaztrebuiesafieuniteprintr-o linie. Determinarea existenei acestei linii de legtur se face prin considerarea a doureacii. Aceste reacii sunt prezentate n fig. 2.4 (b). Dac n sistem au loc aceste reacii, ceea20ce nseamn c G > 0 pentru ambele reacii, atunci se verific reacii suplimentare n cazuln care sistemul conine mai mult de un oxid binar sau o nitrur binar sau conine compuiternari, dac datele termodinamice necesare sunt disponibile [34, 50].Trebuie subliniat c pentru un dielectric de poart alternativ care este stabiltermodinamicncontact cuSi, interfaadielectric-Si nuestestabilntoatecondiiiledeprocesare. Reaciilenedoritedintreunastfel dedielectric i siliciupot avealocndousituaii: (1) reaciileseproducntr-unmediucuexces deoxigencarepoatedifuzaprindielectric i oxida siliciul prin reacia:01000730.256 /2 2Oxid de poarta stabil Oxid de poarta stabilKG kJ molSi O SiO =+ + + (2.3)sau (2) procesarea are locntr-un mediu (de ex. reductor)n care dielectricul de poart sedescompune, iarun produs de descompunere reacioneaz cusiliciul. Astfel de reaciisuntdes ntlnite n cazul creterii dielectricilor stabili pe siliciu [52-54] deoarece creterea se facen mod uzual cu oxigen n exces pentru a asigura oxidarea complet a dielectricului de poart.Fig. 2.4 (a) Trei tipuri de diagrame de faz M-Si-O (pentru sisteme fr faze ternare); (b) reacii prin care seidentific tipul de diagram corespunztor sistemului. Stabilitatea termodinamic la interfaa MOx/Si are locdac exist o linie de legtur ntre MOx i Si. Numai una din cele trei tipuri de diagrame de faz M-Si-O are oastfel de linie. Cele trei tipuri de diagrame M-Si-N sunt similare cu cele din figur, Si3N4 nlocuind SiO2.Cantitatea de SiO2 format depinde de ct de mult oxigen este transportat prin dielectric i vafi cea mai mare pentru materialele care sunt foarte permeabile pentru oxigen, cum ar fi civaoxizi stabilin contactcusiliciulla temperaturi nufoarte nalte:HfO2[55], ZrO2[56, 57],La2Hf2O7 [58]. n anumite cazuri (ex. HfO2) s-a observat c oxidarea siliciului la interfaa Si-dielectricestemairapiddect aceeacarearelocpesuprafaaliberaSiO2. Faptulestedatorat producerii de oxigen atomic printr-o reacie catalitic n stratul de dielectric [55] i are21loc n special n cazurile n care oxizii sunt subiri (stadiul incipient al creterii dielectricului)i pentrutemperaturi mari de cretere. Dei interfaa dielectric-Si este stabil numai ncondiii limitate de procesare (pentru un dielectric stabil termodinamic pe Si), un dielectriccare este instabil termodinamicn contactcu siliciul va rmne instabil n orice condiii deprocesare.n urma analizelordatelorexperimentale i a calculelorteoretice s-a observatc suntmai puine nitruri stabile sau potenial stabile n contact cu Si n comparaie cu oxizii. Dintrenitruri, multe sunt conductoare. n timp ce pentru dielectricii de poart conductorii stabili ncontact cu Si nu sunt de interes, ei pot fi utilizai ca electrozi n contact direct cu Si, cum ar fispre exemplu pentru DRAM-uri. Cteva din nitrurile conductoare i aliajele lor stabiletermodinamicncontact cuSi sunt utilizatenaceasteaplicaii. Nitrurilebinareizolatoarecare sunt potenial stabile n contact cu Si au constante dielectrice care sunt cuprinse ntre =5i =9.Spre deosebire de nitrurile binare compatibile cuSi, toi oxizii binari care suntstabilisaupotenial stabili ncontact cuSi sunt izolatori. Constantele lor dielectriceauvaloricuprinse ntre=4 i =24. ntruct acestevalori sunt sensibil mai mari dect cele alenitrurilor binare, oxizii sunt mai promitoridect nitrurilecamaterialealternativepentrudielectricii de poart. BaOare o constant dielectric chiar mai mare (=31) [59], iarinterfeele BaO-Si sunt lipsite de produi de reacie, dup cum a fost demonstrat experimental[60], dar aceste interfee au fost crescute la temperaturi mici. Pentru temperaturi cuprinse ndomeniul 500-750C, BaO reacioneaz cu Si formnd silicatul de bariu, n concordan cuprediciile termodinamice.Extinderea la oxizii multicomponeniOxizii multicomponeni compatibili cusiliciul pot prezentaavantajefadeoxizii binaripentru aplicaiile dielectricilor de poart. Ei pot avea constante dielectrice mai mari,insolubilitate n ap sau permeabilitate sczut pentru oxigen, care i-ar face mult mai potriviidect oxizii binari pentruaplicaiadorit. Dei sunt dateinsuficientepentruoevaluareastabilitii termodinamice a celor mai muli oxizi multicomponeni n contact cu siliciul, toateraportrile despre cei care sunt compatibili cu Si se refer la oxizi ce cuprind constituieni aioxizilorbinaricompatibilicuSi [50]. Acest faptconducelaformulareauneiregulipentruselectareapotenialiloroxizimulticomponeni:alegereaaceloraalctuiidincombinaiialeoxizilor binari care sunt termodinamic compatibili cu Si.Studiul oxizilor multicomponeni trebuie s se fac fr eliminarea constituieniloroxidici binari care nu sunt solizi la 1000 K. Astfel de oxizi cu temperatur de topire sczutpot fi componeni ai unui oxid multicomponent termodinamic stabil n contact cu siliciul. Cutoate acestea, evaluarea reaciilor de tipul celor prezentate n fig. 2.4 (b) au artat c toi acetioxizi binari sunt instabili termodinamic n contact cu Si.Permitivitatea oxizilor multicomponeni a fost estimat folosind o metod dezvoltat deShannon [34, 59] pentru a crea olist a potenialilor dielectrici high- compatibili cu Si.Toate cele 32000 de structuri anorganice dinbaza de date a National Institute of StandardsandTechnology(NIST)aufost luatenconsiderare, iar-urilecalculateaufost ordonatepentru a identifica potenialii candidai pentru dielectricii alternativi de poartmulticomponeni. Pentru materialele cu cea mai mare constant dielectric estimat s-a cutatn literatur valoarea msurat a lui i lrgimea optic a benzii interzise (Eg,optic). Rezultatelesunt prezentate n fig. 2.5 [34]. Cercurile solide indic dielectricii de poart alternativi pentrucare tensorul complet al permitivitii a fost determinat. ntruct este un tensor de ordinul22doi, valoarealuipoate variacuorientareanmaterialelenoncubice. Domeniul devalorincaresepoatesitua, funciedeorientare, esteindicat prinlrgimealiniei ntreruptedintrecercurile solide din fig. 2.5 pentru fiecare component pentru care tensorul permitivitii a fostdeterminat. Regiunilehaurateindiclrgimeabenziistipulate de International TechnologyRoadmap for Semiconductors: cel puin 4 eV i preferabil mai mare de 5 eV.Fig. 2.5 Reprezentarea permitivitii electrice n funcie de lrgimea benzii interzise Eg,optic pentru dielectriciide poart alternativi care sunt potenial stabili n contact cu Si. Materialele pentru care ntregul tensor dielectriceste cunoscut sunt notate cu cercuri solide. Variaia lui cu orientarea este indicat printr-o linie ntrerupt ceunete dou cercuri solide, una indicnd valoarea minim a lui , iar alta valoarea sa maxim. Cercurile goaleindic materialele pentru care tensorul permitivitii electrice nu este cunoscut. Regiunile haurate prezintrecomandrile ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors).2.3.2 Piezoelectricitatea i piroelectricitateaPiezoelectricitatea i piroelectricitatea (feroelectricitatea) dielectricilor sunt dou caracteristiciincompatibilecuutilizareanaplicaiiledepoart. Acestematerialesepot determinaprinstabilirea simetriei cristalografice i astfel se pot elimina dintre posibilii nlocuitori aidioxidului de siliciu. Dintre oxizii binari ce au trecutde criteriul stabilitii termodinamice,numai BeO i SiO2n forma sa cristalin de -cuar sunt piezoelectrici, iar BeOestepiroelectric [34]. De asemenea, exist nitruri piezoelectrice compatibile cu Si, iar din acesteacteva sunt piroelectrice : AlN, Si3N4 n starea cristalin i Ge3N4.2.3.3 Structura electronic, banda interzis i alinierea benzilorNecesitatea ca noul oxid s formeze o interfa bun face ca prezena oxizilor policristalini ncontact cu Si s nu fie de dorit. Oxizii compatibili sunt fie epitaxiali, cu o potrivire a reeleilor cu cea a Si, fie amorfi.Noii oxizi prezint un grad mare de ionicitate al legturii ionice n comparaie cu SiO2.Numarul de coordinaie atomic (NC) i legtura chimic determin nunumai dac un solidpoate fi amorf sau nu, dar de asemenea i structura sa electronic [5].Fig. 2.6 compar NC atomice pentru diferii oxizi. n SiO2, Si formeaz patru legturicovalente direcionale cu atomii de oxigen. Atomii de oxigen au NC egal cu doi, cu un unghide legtur mare i o for de ncovoiere a legturii slab. Coordinaia medie mic iLargimeaopticaabenziiinterzise(eV)Permitivitatea electric relativ23rigiditatea sczut a oxigenului cnd se afl lng Si permit dioxidului de siliciu s formeze ostare sticloas. n Al2O3, metalul formeaz legturi polare cu ase atomi de oxigen n formacristalin -Al2O3 (safir) i cu un numr variabil de atomi de oxigen (ntre patru i ase) nfaza sa amorf. Al2O3 poate fi amorf, dar nu prezint o stare la fel de sticloas ca SiO2.ZrO2 i HfO2formeaz cristale cubice custructura fluoritului n care Zr i Hf au NCegalcuopt. Eideasemeneaformeazcristaletetragonale iortorombicencareNCesteapte. Prin studii de structur s-a artat c Zr are NC de la ase la opt n oxizii i sticlele saleoxidice. Dei Zr i Si au ambele valena patru, legturile Zr-O i Si-O difer. Legtura Zr-Oeste mai ionic, nedirecionat i nu prezint hibridizare sp3, n timp ce legtura Si-O din SiO2estecovalent. La2O3cristalinareostructurncareLaareNC=7, iarY2O3arestructurabixbyt-ului n care Y are iari NC=7.Fig.2.6 Atomii de Si, Al, Zr, Y i La cu numerele de coordinaie n oxizi [5].Legtura Si-O este ionic n proporie de aproximativ 50%, n timp ce legatura de Al-Oeste n proporie de 60-70%ionic. Diferena principal const n faptul c ionicitatea Si-Oeste sub o anumit valoare critic, astfel nct legtura este cantitativ covalent i direcional,ntimpcelegturile celorlali oxizisuntpeste ionicitatea critic i se comport calegturiionice [61]. Aceti oxizi ionici nu mai au legturi direcionale dar, spre deosebire de ioni caNa+, sarcina ionic este mare, astfel nct coordinaia metalului exercit o influien puternicasupra reelei.Oxizii de poart au o structur electronic relativ similar. Cei mai muli sunt oxizi aimetalelor tranziionale. ZrO2 poate fi un exemplu. Configuraia electronic a Zr este 5s24d2.El doneaz cei patru electroni de valen ctre doi atomi de oxigen, rezultnd un ion Zr4+idoi ioni O2-, astfel nct ambii au pturi nchise. Banda de valen superioar const n stri 2pocupate ale oxigenului. Ionul Zr4+are stri 4d libere, iar mai sus stri 5s goale [62, 63]. Bandainterzis de 5.8 eV sentinde ntre strile 2pale oxigenului i strile 4dale Zr i este dataproximativ de diferena energiilor orbitalilor atomilor liberi, dup sistematizarea lui Harrison[64]. Astfel, elementele cu orbitali d mari (Zr sau La) au benzi interzise mai mari.24ZrSiO4 este un compus intermediar ntre ZrO2 i SiO2. Banda de valen superioar estedat de strile 2p ale oxigenului. Prima band de conducie la 6-8 eV este datorat strilor dale Zr, iar peste 9 eV se afl o band electronic ce provine din strile s, p ale Si. Legtura noxid nu este complet ionic, ci ntr-o proporie de 60-70%.n Al2O3 sau oxizii grupei II A structura electronic a atomului de metal este, pentru Al,3s23p1. Electronii de pe aceste pturi sunt donai oxigenului, formndu-se Al3+i O2-. Strilede valen superioare sunt din nou strile 2p ocupate ale oxigenului, n timp ce minimul benziide conducie este dat de starea 3s a aluminiului. Banda interzis este cuprins ntre starea 2p aoxigenului i 3s a Al. n aluminai, cum ar fi LaAlO3, banda interzis este mai ngust (5.1eV), banda de conducie aflndu-se pe strile d ale La. Strile s, p ale Al formeaz o band deconducie mai nalt.Alinierea benzilor energetice (band offsets)O cerin cheie pentru un oxid alternativ de poart este ca acesta s acioneze ca un izolator,s aib un curent de poart mic. n timp ce straturile mai groase mpiedic tunelarea directprin oxid, conducia poate nc avea loc prin excitarea electronilor sau golurilor prin emisieSchottkynbandadeconduciesaunbandadevalen. Altemecanismedetransport potinterveni, cum ar fi efectul Poole-Frenkel sau conducia de hopping. n domeniul tensiunilorde operare ateptate pentru viitoarele dispozitive CMOS, scurgerea de curent este suficient demicdacdiferenadintrebenziledeconducie i devalenaledielectricului i Si suntambele mai mari dect 1 eV [5, 65]. Aceast cerin a fost foarte uor de satisfcut de ctreSiO2 datorit benzii sale interzise de 9 eV. Dar pentru dielectricii de poart alternativi criteriulnu este trivial. Spre exemplu, SrTiO3 are oband interzis de 3.3 eV. Ideal ar fi ca benzileacestuioxidsfiealiniatesimetricnraport cuceledoubenzi aleSi pentrucafiecarediferen n benzile celor dou materiale s fie mai mare dect 1 eV. n general, alinierea esteasimetric. Aceastcerinrestrngealegereacaresepoatefacepentruoxidul depoart,deoarece muli oxizi au bariere electronice foarte mici.Alinierea benzilor poate fi msurat prin msurtori de fotoemisie care determindiferenaenergeticdintrestriledeenergiemaximalecelordoubenzidevalen, prinfotoemisie intern care msoar diferena energetic dintre banda de valen a Si i banda deconducie a oxidului sau prin studiul caracteristicilor curent-tensiune la diverse temperaturi.De asemenea, aceste mrimi au fost calculate [65]. Aceste calcule trateaz oxizii casemiconductori debandlarg, astfel nct calculul alinierii benzilor vafi similar cucelrealizatpentruheterostructuri semiconductoare. Factorii ce determin alinierea suntidenticicucei care controleaz aliniereabenzilorlajonciunilemetal-semiconductor, saunlimilebarierelor Schottky (Schottky Barrier Heights SBHs). Aceti factori au fost dezbtui de-alungul anilor i ideeacareafost acceptatesteceaaprezenei strilor virtualenbandainterzis (Virtual Gap States VIGs), cunoscute i sub numele de stri induse de metal nbandainterzis(MetalInducedGapStatesMIGs) ncazul interfeelorcumetalele. Osuprafa ideal a semiconductorului prezint legturi nesatisfcute (dangling bonds).Acestea formeaz stri n banda interzis a semiconductorului ce suntlocalizate la interfa.Cnd un metal este n contact cu un semiconductor, strile de tip dangling bond se ntindde-a lungul benzii interzise, dar sunt nc localizate la interfa, numindu-se VGSs. Deasemenea, nmodfrecvent lainterfaadintreunsemiconductor iunmetalaulocreaciichimiceceintroduclarndullordefectecuniveleenergeticenbandainterzis, denumitenivele extrinseci.25Alinierea benzilor la interfa este controlat de transferurile de sarcin ce au loc pesteinterfa ntre strile electronice ale metaluluii VGSs, sau ntre VGSs ale fiecruisemiconductor. VGSssunt de tipdanglingbond, astfelcelesunt umplutepejumtate.VGSsauoenergieFermipnlacaresunt umplute ipestecaresunt goale. Acestasenumetenivel de neutralitateasarcinii (ChargeNeutralityLevelCNL). Transferul desarcinacioneazastfel nct saliniezeCNLal fiecrui material depefiecareparteainterfeei. CNL-ul siliciului este situat jos nbanda sa interzis, fiind la numai 0.2eVdeasuprabenzii devalen, ntimpceCNL-ul multoroxizi sepoate situa destul de susnbanda interzis [65]. Astfel, alinierea Si i a oxizilor tinde s genereze offset-uri mici alebenzilor deconducie. PentruSrTiO3seobinevaloareazero. nfig. 2.7sunt prezentateoffset-urile calculate de Robertson [65].Aceste valori sunt n acord cu valorile experimentale [66-69]. Se poate observa c oxiziide Zr, Hf, La, Y i Al i silicaii Zr i Hf au offset-ul benzii de conducie mai mari de 1 eV.Offset-urile pentru goluri sunt ntotdeauna mai mari de 1 eV, astfel nct conducia de golurieste extrem de redus.Energianivelului deneutralitateal sarcinii estedeterminatdeforecompetitive. Odensitate mare de stri n banda de valen determin o deplasare n sus, iar o densitate marede stri n banda de conducie determin o deplasare n jos a nivelului [65]. Strile de valensunt stri 2paleoxigenului, iar striledinbandadeconduciesunt stri dsaus, palemetalului.Raportul acestor stri este tocmai raportul dintre numrul atomilor de oxigen i cel alatomilor de metal, ceea ce reprezint stoichiometria oxidului. Astfel, CNL depinde de valenametalului. Ovalenmare ametaluluil deplaseaznsprebanda de conducie. Cazurilencare CNL este mare sunt ntr-adevr cele care prezint un raport mare al numerelor de atomide oxigen i metal, cum ar SrTiO3 i Ta2O5.Fig. 2.7 Alinierea benzilor energetice ale unor oxizi pe Si [5, 65].Pentru a obine o aliniere convenabil a benzilor de conducie sunt posibile treiabordri:26a) valena metalului s fie mic, ceea ce se ntmpl pentru metalele din grupele II, IIIsau IV;b) s se evite perovskiii care au un ion pasiv ce doneaz mai muli electroni;c) s se foloseasc un oxid cu band interzis mare.Ultima abordare implic folosirea metalelor tranziionale ce au stri d nalte, precum metaleledin grupa IIIB sau IVB, sau metale cu ptura 4d sau 5d incomplet ocupat, mai degrab dectmetale cu ptura 3d incomplet ocupat. Acest criteriu selecteaz oxizii metalelor Zr, Hf, La,Y, Al, Gd sau Pr. Este de remarcat faptul c prin constrngerea dat de alinierea benzilor seselecteaz aceiai oxizi ca i n cazul folosirii criteriului stabilitii. Explicaia const n faptulcostaremetalicdnaltimplicoenergiedeformaremare, obinutlarnduleideoenergie mare de transfer de sarcin care se produce la o temperatur relativ nalt.2.3.4 Cerine de compatibilitate electric a dispozitivelor MOS cudielectrici de poart de permitivitate mareUn setimportantde cerine pentru dielectricii de permitivitate mare n vederea integrrii ntehnologia CMOSsunt determinate de parametrii electrici operaionali ai tranzistorului.Presupunndcsevor gsi soluii pentruaasiguracompatibilitateachimicaunui noudielectric de permitivitate mare cu siliciul, stabilitatea termic a acestui strat fiind garantat,iar problemele tehnice de procesare i integrare pot fi depite, n final proprietile electriceale sistemului dielectric-Si vor determinaposibilitile de integrare nnoilegeneraii deprocesoare. Astfel, parametriielectriciai noului tranzistortrebuiescorespundcerinelorcrescnde de performan ale industriei i totodat s pstreze calitile dispozitivelor pe bazdedioxiddesiliciu. Deaceea, studiul proprietilor electricealesistemului dielectricdepermitivitate mare-siliciuprezintomare importam. Cerineledeperformanelectricprivesc cinci mari aspecte:a) Densitatea de trape de la interfaa Si-oxidDup cum s-a menionatmai sus, printre proprietile remarcabile ale sistemului Si-SiO2 senumr iposibilitateaobineriiunorvalorimici deordinul109cm-2eV-1aledensitiidetrape la interfa. Pentru tranzistoarele pe baz de oxizi de permitivitate mare aceast cerineste indispensabil pentru a asigura o tensiune de prag ct mai mic. O densitate mare de trapela interfa produce alungirea caracteristicii capacitate-tensiune de poart i prin urmare cretetensiunea de prag, necesar instalrii regimului de inversie puternic la suprafaa siliciului. Oaltconsecinnegativeste i micorareamobilittii purttorilor minoritari dincanal caurmare a proceselor de mprtiere pe defectele de la interfa.Pentruamenineointerfadecalitatenalt i omobilitateapropiatdeceadinsistemul Si-SiO2 este necesar ca la interfa s nu existe faze diferite ale oxizilor metalici isilicidelorsauodifuzieimportant(>1016cm-3)aatomilordemetalnregiuneacanalului[70]. n afara acestor procese, pentru anumii oxizi (ZrO2, HfO2, La2O3, La2Hf2O7)difuzivitile oxigenului sunt cunoscute ca fiind mari, ceea ce determin crearea unor straturiinterfaciale de SiO2 sau compui coninnd SiO2 i prin aceasta scderea grosimii echivalentea oxidului (EOT), un parametruesenial pentrusuccesul dielectricilorde poart alternativi.Tratamentul termicnforminggas(tipic90%N2:10%H2)folosit ntehnologiaCMOScatratament standard final prin care se pasiveaz trapele de interfa cu hidrogen poate inducereducerea unor oxizi, instabili n prezena hidrogenului.27O variant ideal a dielectricului de poart ar fi cea n care interfaa arfi format dincteva straturi atomice de Si-O (sau Si-N), iar deasupra acestuia ar fi depus un dielectric depermitivitatemare. Stratul interfacial arpstra calitilefoarte bune aleinterfeelorSiO2-Sisau SiON-Si, n timp ce EOT-ul ar putea fi mult mai mic [70].b) Densitatea de sarcini fixe din oxidRaportul grosimilor straturilor deoxiddepermitivitatemarefadegrosimeaunui stratcorespunztor de SiO2 ntr-un tranzistor MOS este egal cu raportul permitivitilor relative alenoilor oxizi iSiO2-ului, presupunndcstratul interfacial areogrosimeneglijabil. Dinacestmotiv comportarea n cmp electric a volumului de oxid prezint oimportan sporitfadecazul binestudiat al stratului subirededioxiddesiliciu. Injeciadepurttori ndielectricul de poart poate duce la crearea de noi defecte, acumularea de sarcin fix n oxidsau, pentru densitai suficientde mari, la tunelarea asistat de trape. Trapele din oxid potfiadnci, producnd o deplasare ireversibil a tensiunii de benzi netede atunci cnd suntncrcate sau superficiale, i au ca rezultat apariia hysteresis-ului n caracteristicilecapacitate-tensiune i prin urmare conduc la deplasri reversibile ale tensiunii de benzi netede.Deplasrile acceptabile ale acesteia sunt de zeci de milivoli ntr-o perioad de civa ani [71].Nivelul ce se dorete a se obine pentru densitatea de sarcini fixe n oxid este de ordinul1010cm-2, care reprezint valoarea tipic din dioxidul de siliciu [35]. Probabilitatea de captarea sarcinilor n dielectricii alternativi este mult mai mare dect n SiO2 datorit nivelului marede defecte din aceti oxizi. Dioxidul de siliciu, pe de alt parte, are puine defecte formate ntimpul oxidrii siliciului, iar nivelul de trape este mic att timp ct nu sunt injectai electronienergetici care sa creeze defecte. ngeneral s-a observat c probabilitatea de captare asarcinilor n trapele din oxizii de permitivitate mare este cu 8-15 ordine de mrime mai maredect probabilitatea de captare din dioxidul de siliciu, ceea ce conduce la nivele inacceptabileale densitilor de sarcin fix, de ordinul a 1012cm-2eV-1[71, 72].c) Curenii de poartCurenii de poart reprezint un parametru esenial. n dispozitivele pe baz de SiO2 valoarealor pentru o grosime a oxidului de 1.5 nm este de aproximativ 1 A/cm2la o tensiune de poartaplicatde1V[72]. Aceticurenisunt dominaicomplet detunelareaFowler-Nordheim(FN), care denumete tunelarea electronilor sau golurilor printr-o barier de potenialtriunghiular, precum i de tunelarea direct a purttorilor printr-o barier de potenialtrapezoidal. Ca urmare a stresului electric, o component important a curenilor de tunelaredevine cea asistat de trape [35].Prin nlocuirea stratului de SiO2 cu cel al unui dielectric alternativ de permitivitate marecomponentele de tunelare ale curenilor de scurgere sunt reduse cu ordine de mrime, n cazuldispozitivelor de capacitate echivalent. n schimb emisia termoelectronic (Schottky) pestebarierele de potenialmicorate delainterfee iemisiaPoole-Frenkel asarcinilorfixe dinoxid n banda de conducie a acestuia devin noi componente ce se cer luate n calcul pentru aevalua n mod corect nivelul curenilor de poart prin dielectricii alternativi. Limitele acestorasunt specificefiecrui tipdeaplicaie i sunt prezentatenraporturileperiodicealeITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors).nelegerea mecanismelor de conducie prindispozitivele MOSdevine mai dificilatunci cnd exist i un strat interfacial de dimensiune finit. Fiecare strat prezint o aliniere abenzilor diferit i conduciaestengeneral favorizatncazul injeciei deelectroni din28substratul de siliciu. Evaluarea cantitativa curenilorde scurgere este posibilnumai prinefectuarea unor simulari numerice, tinnd cont i de nivelul ridicat de defecte de la interfaastratului interfacial cu dielectricul de poart propriu-zis.Cerina pentru dielectricii alternativi este de a asigura un nivel mult mai mic alcurenilor depoartncomparaiecuundispozitivpebazdeSiO2avndocapacitateechivalent. Ocomparaientrecurenii dinceledoudispozitivetrebuiesafiefcutcuprecauie, ntruct tensiunile de benzi netede pot fi mult diferite n cele dou cazuri. Astfel,aplicarea coreciilor care iaunconsiderare attlucrul de extracie al diferiilor electrozi depoart ce sunt utilizai, ct i sarcinile fixe din dielectricul de poart sunt necesare, comparaiafcndu-se ntre curenii relativi la tensiunea de benzi netede [35].d) Mobilitatea purttorilor minoritari din canalUna dintre cele mai dificile sarcini ale integrrii dielectricilor de poart alternativi ntehnologia CMOS este obinerea unei mobiliti a purttorilor minoritari din canal apropiatde cea existent ncazul MOSFET-urilor pe baz de SiO2. n fig. 2.8 sunt prezentatemobilitile efective ale electronilor minoritari n tranzistori realizai cu diferii dielectrici depoart, avndcaelectrozi depoartaluminiulsaupolisiliciul[71]. Metodafolositpentrumsurarea mobilitilor se afl expus n Ref. [73]. Toate materialele prezentate n fig. 2.8 auo mobilitate mai mic comparativ cu cea universal, reprezentat printr-un fit empiric al unortranzistori cuefect decmpcucanal detipn i electroddepoartdepolisiliciu[74].Explicaiaacestor valori reduse nuesteclar[71], dar sepoateconstatac mobilitateadepinde de materialele specifice i de detaliile de procesare.Fig. 2.8 Mobilitatea efectiv reprezentat n funcie de cmpul electric de la interfaa Si-oxid pentru tranzistoriFET realizai cu diferii dielectrici de poart. Curba de mobilitate universal este prezentat spre comparaie.Electrozii de poart utilizai au fost polisiliciul sau Al. Dup [71].Captarea sarcinilor n dielectric joac de asemenea un rol important n estimarea mobilitii.ntr-un MOSFET, o sarcin plasat n dielectric la interfaa cu electrodul de poart conduce lacrearea unei sarcini imagine la interfaa cu siliciul i va induce inversia canalului. Deasemenea, dac n interiorul dielectricului sunt captate sarcini de polaritate identic cu cea apurttorilor minoritari ai substratului, sarcina dinstratul de inversie va fi supraestimatdeoarece oanumit cantitate din sarcinafix captat n oxideste considerat ca aparinndstratului de inversie. n acestmodmobilitatea este subestimat, cci mobilitatea dedus dinconductivitateamsuratvacorespundeuneiconcentraiipresupusedepurttoriminoritaridincanal mai maredect ceareal. Cmpul efectivdelainterfavafi supraestimat, iarinstalarea unui cmp efectiv real la interfa care s produc o inversie puternic real poate29produce strpungerea dielectricului. De aceea ncercrile de a compara mobilitatea n sistemulSi-SiO2 cu cea din diferite sisteme Si-oxid este supus erorii att timp ct nu sunt disponibilevalori precise ale concentraiei de purttori din stratul de inversie.Exist ialteproblemelegatedecomportareaionicadielectricilordepermitivitatemare. Cauza principal a permitivitii mari n aceti dielectrici este dat de cretereapolarizabilitiiionice [74]. Ca urmare, fononii opticilongitudinali dindielectric auenergiimult maimicidect ncazulSiO2, iarcuplareaelectronilorcufononiiestemaiputernic.mprtiereaelectronilorpeacetifononi, denumitmprtierefononicdeladistan, sepresupune a conduce la reducerea mobilitii n cazul oxizilor ZrO2 i HfO2 cu un factor de 3[75]. n practicns sarcinile captate n oxid suntcele care limiteaz ncel mainaltgradmobilitatea purttorilor din oxid prin mprtierea coulombian [71].e) Fiabilitatea dispozitivelor MOSFETFiabilitateaizolatorului depoartafost ntotdeaunaopreocuparepentrutoategeneraiiletehnologice CMOS. n prezent chiar i straturile ultrasubiri de SiO2 ndeplinesc cerinele defiabilitate ale utilizrilor comerciale. n privina dielectricilor de poart de permitivitate mare,studiile de fiabilitate sunt incipiente, iar comportarea acestora poate fi mult diferit fa de ceaa dioxidului de siliciu.Evaluriledefiabilitatealeoxizilornecesitefectuareaunorprocesendoi pai[35,76]. Primul are ca scop msurarea pe baze statistice a timpului necesar strpungerii dielectrice(Time Dependent Dielectric Breakdown), iar n al doilea pas se realizeaz modele ct maicorecte de accelerare a degradrii prin stres care s echivaleze condiiile de operare normalealeprodusuluipetermenlung. Pentruprimul passedefinescct mai preciscondiiiledestrpungere i un tratament matematicconsistent. Al doilea pasnecesit cunoaterea fiziciimecanismului de degradare. Chiarn cazul SiO2ncmai auloc dezbateri asupra detaliilormecanismului de degradare, n timp ce pentru dielectricii de permitivitate mare foarte puinestudii sunt disponibile.Dacseconsidercstraturilededielectrici alternativi sedegradeaz ntr-unmodsimilar cu straturile SiO2, se pot face anumite predicii despre cumar trebui s aratefiabilitateaintrinsecaacestoroxizi. nSiO2strpungereaaparedupgenerareadetrapencrcate cusarcini i realizarea prinpercolaie aunei ci de conducientre anod i catod[77]. Dac este nc valabil conceptul de percolaie n cazul oxizilor alternativi, panta Weibulladistribuiei timpului destrpungeretrebuiesfieproporionalcunumruldetrapealacelei ci, iarvalorile pantei trebuies creasccugrosimeafizic a oxidului. Interpretareadatelordefiabilitateexistenteaartat cpantaWeibullestemai mic, corespunznduneiscderi a fiabilitii dispozitivelor. Pentru aceasta exist dou explicaii posibile: Explicaiaintrinsec:strpungerea dielectric este determinat de trapele create prinstres electric, iarconceptul de percolaie este aplicabil. Valorilemaimici ale panteiWeibull n straturile de oxizi alternativi pot fi explicate prin existena unui numar maimic de trape ce particip la strpungere. Acest lucru este posibil dac raza trapelor estemai marencomparaiecutrapeledinSiO2. Explicatiaesteimprobabil, deoarecedistanele atomice n dielectricii de permitivitate mare sunt similare cu cele din SiO2. Explicaia extrinsec: Strpungerea este declanat de ctre defectele induse n timpulprocesrii. Dei valorile pantei Weibull sunt mici, modelul percolaiei nu esteaplicabil. Aceast comportare este observat chiar pe arii mici, ceea ce nseamn cdensitatea de defecte este foarte mare, de cel puin 106cm-2. n acest caz sunt necesare30mbuntirialeproceselortehnologicepentrueliminareacomponenteidominanteastrpungerii dielectrice [35].Oalt problem de fiabilitate a MOSFET-urilor pe baz de dielectrici alternativi estedegradarea oxidului de poart datorat purttorilor fierbini din canal. n cazul SiO2 acest tipde degradare a fost evitat prin micorarea tensiunilor de operare de la 5 V n cazul tehnologieiCMOSde 0.5 m la 1 V pentru tehnologia de 0.1 m [35]. Astfel, cmpurile electrice dinzona drenei sunt suficient de sczute pentru a limita considerabil injecia de purttoriminoritari n dielectricul de poart. Cnd oxizi alternativi sunt utilizai ca dielectrici de poart,datorit barierei sczute de la interfaa cu siliciul un numarmai mare de purttori din canalvor putea depi aceast barier i vor induce degradarea oxidului.Punctele a), b) i c) din cerinele de compatibilitate electric prezentate anterior vor fidiscutate n amnunt n capitolul 4, unde se vor interpreta rezultatele experimentale i se vorevalua parametrii fizici de interes pentru civa oxizi de permitivitate mare.2.3.5 Aspecte suplimentare ale integrrii dielectricilor alternativi ntehnologia CMOSn afara cerinelor de integrare prezentate mai sus, exist o serie de alte aspecte importante aleintegrriioxiziloralternativi ntehnologiaCMOScarevorfidiscutatepescurt nceleceurmeaz.Morfologia filmuluiCeimaimulidielectricidepoartstudiaipnnprezent sunt fiepolicristalini, fiefilmemonocristaline. Obinerea unui material care s conserve structura amorf (sticloas) ntimpul procesriiarconstitui unavantaj. Aproape toi oxizii deinteres, cuexcepiaAl2O3,prezint o faz cristalin ce se formeaz n condiiile de procesare tehnologice. Pentru filmeleultrasubiri anumite limitri ale cristalizrii pot fi obinute [70].Dielectricii de poart policristalini sunt problematici ntruct frontierele grunilorcristalini reprezintputerniceci descurgereacurenilor, ceeacenseamncstraturileinterfaciale amorfe sunt necesare pentru a reduce nivelul curenilor de poart. De asemenea,prin frontierele grunilor cristalini o difuzie puternic a dopanilor din electrodul de poart depolisiliciu prin dielectric ctre zona canalului poate avea loc i substratul de siliciu se poatedopa suplimentar, conducnd la o deplasare nedorit a tensiunii de prag a tranzistorului.Prin creterea oxizilormonocristalini prin metoda Molecular Beam Epitaxy (MBE) sepot n principiu evita frontierele policristaline, obinndu-se n acelai timp i o bun calitate ainterfeei. Procesul de depunere trebuie s fie ns foarte bine controlat (control sub-monostrat), acest lucru obinndu-se prin depunere n vid ultranalt i cu o eficien sczut nceea ce privete viteza de procesare a plachetelor [70].Problematica electrodului de poartUn alt aspect de interes este compatibilitatea dielectricului alternativ cu electrozii de poart depolisiliciu sau metal. Desigur, este mai convenabil depunerea electrozilor de poli-Si, inclusiva celor de Si1-xGex ce permit atingerea unor nivele mai nalte de activare a borului [78, 79],pentrucnacest modcondiiiledeimplantarecesepot modificapermit ajustarealao31valoaredoritatensiuniidepragpentruambeletipuri detranzistori, NMOS i PMOS(cucanal de tip n i respectiv p). Mai mult, procesele tehnologice implicate sunt binecunoscute nindustrie [70].Electrozii de polisiliciu n tehnologia uzual CMOS devin din ce n ce maiinconvenienipemsurceminiaturizareadispozitiveloravanseaz. Existdouproblememajore care limiteaz aplicabilitatea polisiliciului ca electrod de poart n urmatoarelegeneraii tehnologice: depleia i penetrareadopantului (deex. aborului) nsubstratuldesiliciu. Depleiaelectrodului depoartcretecuscdereagrosimii dielectricului, deci cucretereacmpului lainterfaacudielectricul (avndnvederescenariiledeminiaturizarediscutate n seciunea 2.1), iar capacitatea sistemului MOS scade, ceea ce reprezint un efectnedorit. Penetrarea dopantilor n substrat are loc ca urmare a tratamentelor termice de activarea dopanilor din electrodul de poart i crete pe msur ce grosimea dielectricului scade.Porile metalice reprezint o soluie pentru eliminarea efectelor de depleie n polisiliciu,a penetrrii dopanilor i a constrngerilor de rezisten electric. Prediciile ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors) din 2001 indic o schimbare a poriide polisiliciu n tehnologiile de sub 70 nm, care vor necesita un substitut metalic.ncercriledeafolosi pori depolisiliciudepusepeZrO2nuaureuit [80]. Studiiulterioareauartat ostabilitatemai mareapolisiliciului depuspeHfO2[81]. Unsistempseudobinar, cum ar fi un silicat n contact cu un electrod de polisiliciu are o stabilitate maimare, deoarece o cantitate suficient de Si este deja coninut n dielectricul de poart [82].OxiduldealuminiuAl2O3paresfiestabil ncontact cupolisiliciul ntimpulproceselortehnologice CMOS [83, 84]. Cu toate acestea, difuzia borului i fosforului prin straturile deAl2O3 a fost pus n eviden, ceea ce produce o deplasare considerabil a tensiunilor de benzinetede i de prag [85].Ca urmaresencearc gsirea unorelectrozi metalici care sfiestabilincontactcudielectricii alternativi. Pentruprentmpinarea reaciilor de la interfaa cudielectricul depoart s-au folosit pori metalice de nitrur de titan (TiN) sau platina (Pt).Utilizarea electrozilor de metal are avantajul de a elimina necesitatea tratamentului detemperatur nalt folosit de obicei pentru activarea dopanilor [10]. Pentru nlocuireaelectrozilor de polisiliciu cu electrozi metalici exist dou principale abordri: folosirea unuimetal cuunnivel Fermi situat napropierea mijlocului benzii interzise a siliciului saufolosirea a dou metale cu nivele Fermi corespunztoare nivelelor Fermi din volumulsubstratului de siliciu (de tip p i n).Primele metale suntdenumite midgapmetals (sau alte materiale conductoare, ca deexemplu TiN) i folosirea lor prezint dezavantajul c tensiunea de prag pentru ambele tipuride tranzistori (PMOS sau NMOS) este de aproximativ 0.5 eV, jumtate din banda interzis asiliciului. Aceast valoare este prea mare pentru viitoarele dispozitive CMOS, ntructtensiunile de alimentare sunt ~1 V iar tensiunea de comand (VG-VT) nu ar suficient pentruasigurarea unei operri corespunztoare [70].Prin a doua abordare se pot folosi pentru dispozitivele NMOS electrozi de Al, care arasigura o tensiune de prag de ~0.2 V, n timp ce pentru dispozitivele PMOS un metal cu unlucrudeextraciemarecum arfiPt arconducelaotensiunedepragdevaloaresimilar.Aluminiul nu poate fi ns folosit, deoarece pentru majoritatea oxizilor la interfaa cu poartase va forma un strat cu coninut de Al2O3. Ca alternative se pot enumera dou conductoare culucruri de extraciemici:Ta i TaN. De asemenea, pentrudispozitivele PMOSplatina (saualtemetalenobile)nueste osoluie deoarecenupoate fi procesat uor, nuadera uorpemajoritatea dielectricilor i are un cost ridicat. Alternativa poate consta ntr-un oxidmetalicconductor ca IrO2sauRuO2, ambii studiai i utilizai naplicaiile DRAM(Dynamic32Random Access Memory), cu lucruri de extracie mari i cu posibilitatea de a fi corodai iprocesai ulterior conformtehnicilor standard. RuO2a fost testat cu succes att ndispozitivelePMOSpebazdeSiO2[86], ct indispozitivecuZrO2 isilicat deZrcadielectrici de poart [51, 87]. De asemenea, a fost raportat realizarea unui dispozitiv CMOScu poart dubl metalic de TiN (PMOS) i TaSiN (NMOS) [88].Unaspect esenial nstudiul electrozilor metaliciestecontrolul lucruluideextraciedup procesrile inerente tehnologiei CMOS. ncazul compuilor conductori, lucrul deextracie poate fi ajustat prin modificarea corespunztoare a compoziiei [70].Compatibilitatea proceselor tehnologiceUnfactorfoarteimportant pentrudeterminareacalitiifinaleafilmului iaproprietiloracestora este metoda de depunere a filmelor oxidice de permitivitate mare n cadrul procesuluitehnologic de fabricaie. Metoda de depunere trebuie s fie compatibil cu procesele CMOSactualesaudeperspectiv i nacelai timps aibcosturi i randamentecomparabile.ntruct pentru toate metodele ce pot fi folosite condiiile termodinamice sunt de neechilibru,este de ateptat ca proprietile filmelor depuse s difere de cele corespunztoare unor condiiide echilibru. Studiul acestor metode este de aceea necesar, n cele ce urmeaz fiind prezentatepe scurt principalele metode de obinere a filmelor oxidice subiri de permitivitate mare [1].Metodele de depunere fizic nvapori (Physical Vapor Deposition PVD), cum arficeleprinsputteringsauevaporare, sunt mijloacepotrivitepentruevaluareamaterialelorfolositecadielectrici alternativi. Unmaredezavantaj al sputtering-ului estecreareadedefecte i trape la interfaa cu siliciul ca urmare a energiei nalte cu care atomii constituieni aidielectricului lovesc suprafaa substratului. Mai mult, morfologia filmelor obinute prin acestemetode nu pare potrivit cu tendina de miniaturizare continu a dispozitivelor. Metodele dedepunerefizicnvapori nvidultranalt(Ultrahigh Vacuum Physical VaporDepositionUHV-PVD), dezvoltate din Molecular Beam Epitaxy ofer cteva avantaje poteniale: sunttehnici flexibilefoartepotrivitepentrustudiiledematerial i asigurunnivel depuritatechimic a filmelor care nu poate fi atins prin alte metode. Oxizii au fost crescui epitaxial nmaremsurprinaceastmetod. Nuestensdinpunct devederetehnologicverificatpentru depunerea pe substraturi de siliciu, iar aspecte importante din punct de vederetehnologic, care privescrandamentele, ratade fabricaie, densitateade defecte, mrimeaplachetei sunt n mare msur necunoscute [71].Din aceste motive, depunerea chimic n vapori (Chemical Vapor Deposition - CVD)este mult mai potrivit pentru acoperirea uniform a suprafeelor dispozitivelor ce prezint otopologiedincencemaicomplicat. Este otehnicfoarteuordeadaptat dinpunct devederealproceselortehnologice. Flexibilitateametodeiestedatdevarianteleexistente icare pot fi utilizate n funcie de cerinele procesului: metalorganic CVD(MOCVD),atomiclayerCVD (ALCVD), rapidthermalCVD, plasma enhanced CVD (PECVD)sau remote plasma CVD (RPCVD) [71]. Aceste metode ofer cteva avantaje, cum ar fi unbuncontrol al grosimilor(nspecial pesuprafeeneplanare), oposibilitatedeproducienseriecompatibilcucerineleindustriei i compatibilitateacutehnologiadeprocesarepeplachete de 300 mm. n schimb CVD necesit un control ctmai exact al cineticii reaciilorchimicedelasuprafacepot danatereunorstraturi interfacialedecompoziiediferit.Precursorii utilizai n procesul de depunere vor trebui aplicai ntr-un mod adecvat pesuprafaasubstratului astfel nct sseeviteprezenaimpuritilor nfilmiar compoziiafinalsfiecontrolabil i omogenpentreagasuprafa. Ocompoziiegradualpentrufilmele dielectrice se poate dovedi foarte important n controlul formrii strilor de interfa33launnivel comparabilcucel dinsistemul Si-SiO2. AplicareametodelorALCVD (atomiclayer CVD) pentru depunerea Al2O3 [89, 90], ZrO2 [90-97], HfO2 [95, 98, 99] i silicai ai Hfi Zr [100] suntncercri promitoare ce permitcontrolul formrii filmelorstratatomic custrat atomic.Metoda Molecular Beam Epitaxy (MBE) a fostfolosit cu succes pentru depunereadirect peSiaunoroxizidepermitivitatenvolumfoartemare, caSrTiO3[101]. Aufostraportate grosimi echivalente ale oxidului de sub 1 nm, pentru o grosime fizic de 1.1 nm iaufost mbuntite substanial performaneletranzistorului cutitanatde strontiufolosit cadielectric de poart [101-103]. Acest material poate fi crescut epitaxial direct pe siliciu i sepot obine, datorit potrivirii reelelor cristaline ale Si i STO, interfee cu densiti de trape devalori foarte mici (6.41010cm-2eV-1), comparabile cu cele din sistemul Si-SiO2, precum imobiliti alepurttorilor dincanal de220 i 62cm2V-1s-1, pentrutranzistori NMOS irespectiv PMOS [104, 105]. Rezultate mai recente arat posibilitatea creterii epitaxiale pe Si(001) i(110), cuotranziiecristalinde-alungul interfeeiSi-SrTiO3, iar princontrolulparametrilor dedepuneresepot variastoichiometriile filmelor, fiindposibiltotodat iinseriaunuistrat amorf deSiO2degrosimecontrolatlainterfaacuSi [106]. Aplicaiileacestor structuri se ntind dincolode aplicaiile de poart pentru noile generaii CMOS. Elesunt pseudo-substrate pe care se pot depune noi oxizi sau semiconductori pentru dispozitivemultifuncionale, cum ar fi dispozitive piezoelectrice sau feroelectrice [106, 107].i ali oxizi de permitivitate mare, printre care Y2O3 [108, 109] i ZrO2 (stabilizatcuY2O3)[110-112], aufostcrescui prinMBE. Cutoate acestea, nuexistnc un proces dedepunere prin MBE a acestor oxizi care s fie integrabil n tehnologia CMOS i s asigure oeficien a produciei de dispozitive comparativ cu eficiena produciei dispozitivelor pe bazde SiO2.34353 Metode de caracterizare electric a filmelor dielectrice subiri Pentru a evalua msura n care dielectricii alternativi sunt potrivii pentru utilizarea naplicaiiledepoart, parametrii electrici ai tranzistorului fabricat pebazanoului materialtrebuie determinai i comparai cu cerinele operaionale ale dispozitivului MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor FieldEffect Transistor). ntr-oprimfazestenecesarcunoatereaproprietilor electrice ale filmelor oxidice subiri depuse pe siliciu dup care, considernd cintegrareanouluidielectricdepoartntehnologiaCMOSesterealizat, urmeaztestareatranzistorului fabricat pe baza noului oxidprin msurarea caracteristicilor de transfer, amobilitii purttorilor dincanal, avitezei decomutare i aaltor parametrii deinteresnproiectarea circuitelorintegrate. De asemenea, fiabilitatea dispozitivelortrebuie testat prinrealizareaunor modeledeaccelerarea mbtrnirii cares incont deproceselefiziceparticulare ce au loc n timpul stresului termoelectric la care este supus dielectricul de marepermitivitate.Scopul acestei lucrri este de a descrie proprietile electrice ale filmelor oxidice subiride marepermitivitatedepusepesiliciu i dea evalua msura ncareacesteproprieticorespund cerinelor operaionale ale tranzistorului. Nu se vor prezenta caracterizri electricealetranzistorului. Filmelesubiri sunt investigateprinmsurareaimpedanei capacitorilorMOS(Metal-Oxid-Semiconductor) i adependenelor curenilor depoartcuasi-statici detensiunea de poart i temperatur. Dispozitivele MOS au avantajul de a fi uor de fabricat, demanipulat i de msurat ntr-un aranjament experimental simplu.Dateleexperimentalesunt interpretatecuajutorul unor metodefolositemuli ani ncaracterizareacapacitorilorMOSpebazdedioxiddesiliciu. Acestemetodesempart ndoumari categorii: metodedesemnalmic imetodedeinvestigareaconducieielectriceprinstructuraMOS. Fiecarecategoriedemetodeoferinformaii asupraunor proprieticomplementarealestructuriiMOS. Astfel, prinmetodelecapacitii iconductaneisepotdetermina grosimea fizic i cea echivalent (EOT) a filmului izolator, constanta dielectric aacestuia, grosimea stratului interfacial, densitile de trape i seciunile de captur ale acestoralainterfaaSi cuoxidul. Deasemenea, seestimeazsarcinafixdinoxid i seoferodescrierecalitativauniformitii filmului. Msurtoriledeconducieelectricprinoxidindic mecanismele de conducie cele mai probabile, unii parametrii fizici ai heterostructuriica alinierea benzilor energetice ale oxidului cu siliciul i electrodul de poart, masele efective36ale electronilor i golurilor n oxid i de asemenea calitatea depunerii (existena unor defectemajore, a pin-hole-urilor).n acestcapitol se vor prezenta pe scurtelemente de teoria sistemului MOS i bazeleteoreticealemetodelor deinvestigaiedesemnal micalecapacitii i conductanei. Deasemenea, vor fi discutate mecanismele de conducie electric prin filmele izolatoare subiri ise vor indica parametrii fizici ai heterostructurii ce se pot extrage din datele experimentale.3.1Studiul mecanismelor de transport electric prin filmeizolatoare subiriPentru o mai uoar prezentare a transportului electric prin filmele dielectrice ale structurilorMOS, n acest subcapitol se vor studia aceste filme n dispozitive de tip MIM. Principiile debaz ale transpotului electric prin straturile izolatoare sunt aceleai n cele dou cazuri.Principalele mecanisme de transportelectric prinfilmele izolatoare subiri nstructuride tip Metal-Izolator-Semiconductor (MIM) sunt: tunelarea barierei de potenial a izolatorului de ctre purttorii de sarcin, electroni saugoluri; tunelarea elastic sau inelastic asistat de trape; emisia termoionic asistat de cmp (Schottky) a purttorilor peste bariera de potenialde la interfaa izolatorului cu metalul sau cu semiconductorul; emisia Poole-Frenkel n cmp electric a purttorilor din trapele de volumaleizolatorului; conducie limitat de sarcina spaial.3.1.1 Fenomene de tunelare prin filme izolatoare subiriDac un izolator este suficient de subire sau conine un numr mare de defecte, sau ambelecondiiisunt satisfcute, electroniipot tuneladirect delaunelectrodlaaltul, formnduncurent msurabil fr a implica micarea purttorilor prin benzile de conducie sau de valenale izolatorului. Caracteristicile de tunelare curent-tensiune depind de procedurile de fabricarealefilmelor, de proprietileinterfeelorformate de ctre film cuelectrozii, de proprietileintrinseci ale izolatorului, precum i de lucrurile de extracie ale electrozilor [113]. Este foarteprobabil ca tunelarea s aib un caracter filamentar, densitatea de curent nefiind uniform pesuprafaa electrodului, chiar atunci cnd se folosete o geometrie planar simetric aelectrozilor [114, 115]. De aceea verificrile experimentale ale modelelor teoretice potntmpina dificulti majore. Multe lucrri, fie teoretice sau experimentale, au fost publicate nncercarea de a oferi o explicaie cantitativ a fenomenelor de tunelare i a legturilor acestoracu diverse tehnici de fabricaie ale unor dispozitive electronice. n continuare se vor prezentarezultatele unei metode teoretice pus la punct de Simmons i Stratton de obinere aexpresiilor curenilor de tunelare funcie de tensiunea aplicat i temperatur prin structuri detip MIM [113, 116-121].O mare parte a fenomenelor de tunelare prin filmele izolatoare subiri se pot aproximaca fiind de natur uni-dimensional, ipotez care uureaz considerabil tratarea matematic.Dac bariera de potenial care este tunelat se extinde n direcia x, componentele impulsurilor37electronilor pe direciile y i z, normale la direcia de curgere a curentului, pot fi consideratepur i simplu ca nite parametri fixai. Astfel, probabilitatea ca un electron cu energia Ex spenetreze o barier de potenial de form generalizat, avnd nlimea (x) i limea S2-S1,dup cum se poate observa din fig. A1.1 (vezi Anexa 1), poate fi calculat prin bine cunoscutaaproximaie WKB sau WKBJ (Wentzel-Kramers-Brillouin-Jeffreys) [113, 117]. Densitatea decurent se exprim ca o diferen ntre numrul de electroni cuasi-liberi din electrozii metalicice traverseaz bariera n cele dou sensuri cu probabilitatea dependent de energiapurttorilor. Printr-oseriedeaproximaii i calculematematice(Anexa1) sepot deduceexpresiile curentului la temperaturi foarte sczute i la temperaturi finite funcie de nlimeamedie a barierei de potenial i anumii parametri dependeni de forma efectiv a barierei (ncazul temperaturilor finite).Pentru temperaturi foarte sczute i tensiuni mici se poate arta c nu se poate discernentre mecanismul conductiv de tunelare i cel ohmic, conducia n aceste condiii fiind liniar(ec. A1.21). Oaltconsecinimportantaacestui model esteobinereaunei dependeneptraticedetemperaturaraportuluicurenilorcecurgprinfilmsubtensiuneconstantlatemperaturile T>0 i T0 K (ec. A1.31).ncazul ncareseconsiderobarierdepotenial rectangular, rezultatelepot fiparticularizate, iar pentru tensiuni aplicate suficient de mari densitatea de curent este de forma[116]:|.|

\| =FBAF J exp2(3.1)unde A i B sunt exprimate n funcie de constante universale, nlimea barierei de potenial imasa efectiv a electronului n dielectric. La cmpuri electrice aplicate mari benzileenergetice ale dielectricului se nclin n mod apreciabil astfel nct bariera de potenial vzutde electroni este de form triunghiular i dependena de tensiune a curentului crete datoritmodificrii subcmpagrosimii barierei. Acest tipdetunelarepoartnumeledetunelareFowler-Nordheim, iar rezultatul (3.1) a fost regsit i n alte lucrri folosind abordri diferitei, n plus, pentru structurile de tip MOS [122, 123]. Valorile constantelor A i B sunt n acestecazuri:0623110 54 . 116 ox o oxmmmm qA = =h(A/V2) (3.2)( )2 / 302 / 17 2 / 302 / 110 83 . 6234 |.|

\| = =mmqmBox oxh(V/cm) (3.3)undeqestesarcinaelectronului, mestemasaliberaelectronului, h 2 esteconstantaluiPlanck, moxestemasaefectivaelectronului ndielectric, iar0 estebarieraenergeticexprimat n eV (ec. 3.3) sau Joule (ec. 3.4).Pentru determinarea nlimii barierei, valorile experimentale ale curenilor se reprezintn forma ln(J/F2) versus 1/F, reprezentarea Fowler-Nordheim, care pentru acest tip de tunelareesteliniar. Dinpantareprezentriisepoateextragevaloareaconstantei B, prinurmaresepoate afla valoarea expresiei (mox/m)1/203/2. Dac masa efectiv a electronului este cunoscutdin determinri independente, se afl nlimea barierei 0 [124, 125].Pentru o mai bun aproximare a curenilor de tunelare se poate aplica corecia efectuluiSchottky, sau fora-imagine, a nlimii i grosimii barierei [117, 122, 126].Simulri ale curenilor de tunelare se pot realiza i pentru cmpuri aplicate mici, caz ncare tunelarea barierei de potenial de form trapezoidal este denumit direct. Pentru aceasta38sunt necesare reprezentri numerice ale expresiilor mai complicate ale curenilor de tunelaredireci.Spre deosebire de alte mecanisme de conducie fenomenul de tunelare este foarte slabdependent de temperatur, ceea ce permite o identificare relativ uoar.Pentruoanalizct maicorectacurenilordetunelaretrebuieluatenconsiderarecteva aspecte care pot complica simpla interpretare a rezultatelor pe baza ecuaiilor de maisus [113]:1) Caracteristicilecurent-tensiunealeunei probedepinddetimpul destocare i decondiiile de stocare a probei (efectul de mbtrnire), dependene care sunt probabil datoratedifuziei atomilor contraelectrodului de metal (electrod depus pe suprafaa liber a oxidului) nfilmul de oxid [127-129];2) Interfaaelectrodului cuoxidul (controlatprintehnicadedepunere) i interfaacontraelectrodului cu oxidul (controlat prin materialul ce este depus i tehnica de depunere)au o mare influien asupra caracteristicilor J-V de tunelare;3) Din cauza penetrrii cmpuluin electrozi, caracteristicileJ-V depindnunumai dematerialul electrodului i de tehnica de depunere, ci i de aria i grosimea electrozilor [130];4) nclzirea local ce se produce n timpul conduciei electrice prin filmul subire poatejuca un rol important n procesul de tunelare;5) Presupunerea existenei unei legi de dispersie energie-impuls de form parabolic i avaliditii aproximaiei masei efective a electronului din filmul izolator pot s nu fie corecte;6) Curentul de tunelare este modificat substanial dac n filmul izolator sunt prezentetrape i defecte ionice;7) Interacia electronilor ce tuneleaz cufononii optici ai izolatorului potdetermina oputernic dependen de temperatur a curentului de tunelare, chiar n apropierea temperaturiicamerei [131, 132].3.1.2 Emisia Schottk