Neue Materialien für epitaktische Gate-Isolator-Strukturen auf Silizium
Final Report Abstract
In der abschließenden Projektperiode wurden folgende Ergebnisse erzielt: (1) Das epitaktische Wachstum des kristallinen Ba 0.7Sr0.3O Mischoxides wurde auf p-Si Substrate ausgedehnt, wobei sich im Wesentlichen ähnliche elektronische Eigenschaften wie auf den bisher verwendeten n-Si Substraten ergaben: (a) hohe effektive relative Dielektrizitätskonstanten im Bereich zwischen 25 und 29 bis zu den kleinsten untersuchten Schichtdicken (5nm). Dies deutet darauf hin, dass, im Gegensatz zu anderen hi-k Materialien, an der Grenzfläche zum Si kaum störende Zwischenschichten auftreten. (b) Valenz- und Leitungsbandoffsets, die größer/gleich 1 eV sind. (c) sehr geringe Hysteresen der C-V Kurven (kleiner 10 mV) und damit praktisch vernachlässigbare Effekte durch umladbarer Oxidvolumen-Traps. In anderen hi-k Materialien sind diese zumeist wesentlich höher. (d) um Größenordnungen geringere Leckströme als in kapazitiv äquivalenten SiO 2 MOS- Dioden und vergleichbar bzw. besser als in typischen hi-k Gateoxiden (z.B. HfO2) (e) Sehr geringe Grenzflächentrapdichten im Bereich der Mitte der Si-Bandlücke (Dit < 1011cm-2eV-1) bereits unmittelbar nach dem Wachstum. Diese sind vergeichbar mit den besten kommerziellen hi-k Materialien, die dies nur mit beträchtlichem technologischen Aufwand (Temperungen etc.) erreichen. (2) Es wurde gezeigt, dass sich das Ba 0.7Sr0.3O Mischoxid als hi-k Gatedielektrikum eignet mit zum SiO2 kapazitiv äquivalenten Oxiddicken CET (und damit auch äquivalenten Oxiddicken EOT) weit unterhalb der technischen Zielmarke von 1nm: Die dünnsten untersuchten Schichten (5nm) erreichten ein hervorragendes CET= 0,65nm bei sehr kleinen Leckstromdichten J(1V) < 10mA/cm2. (3) Das Aufbringen von Al (im Monolagenbereich) als Zwischenschicht zum Gatemetall Au bewirkte negative Flachbandverschiebungen bis etwa -3 V, ein wahrscheinlich dipolbedingter Effekt, der zur Einstellung der Schwellspannung des MOS-Systems eingesetzt werden kann. (4) Temperversuche zeigten, dass das Oxid-Halbleiter-System Ba 0.7Sr0.3O/Si oberhalb von etwa 400 ºC instabil wird. Wesentlich ist hierbei, dass es hierbei nicht zur SiO 2- sondern zu einer Silikat-Bildung kommt, die durch Diffusion des Si in das Mischoxid verursacht wird. Diese relativ niedrige Temperaturgrenze stellt eine Einschränkung der technischen Anwendbarkeit des elektrisch hervorragenden Mischoxids dar. (5) Durch geeignete höhere Temperung konnte erreicht werden, dass sich das Mischoxid in das stoichiometrische, kristalline und epitaktische Silikat (Ba 0.8Sr0.2)2SiO4 umwandelt. Dieses ist auch wesentlich stabiler gegenüber umweltbedingten Reaktionen (z.B. mit H 2O) als das Mischoxid und stellt möglicherweise selbst ein neues hi-k Material dar.
Publications
- Investigation of Epitaxy and Electrical Properties of the Alkaline-Earth Oxides BaO, SrO and Ba0.7Sr0.3O on Si (001) as Alternative Gate Dielectrics. Thin Solid Films 518 (2010) S281
A. Cosceev, D. Müller-Sajak, H. Pfnür, K. Hofmann
- Preparation and electrical characterization of amorphous BaO, SrO and Ba0.7Sr0.3O as high-k gate dielectrics. Physica stat. sol. C 7 (2010) 316
D. Müller-Sajak, A. Cosceev, C. Brand, K. R. Hofmann, H. Pfnür
- Temperature stability of ultra-thin mixed BaSr-oxide layers and their transformation. Nanotechnology 23 (2012) 305202
D. Müller-Sajak, S. Islam, H. Pfnür, K.R. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/30/305202)
