Schottky barrier MOSFETs with atomic layer grown high-k oxides and ultrathin metal-interlayers on silicon (111)

Abstract

Substrate mit einer hohen Ladungsträgermobilität sind ein Schlüssel im Fortschritt der Halbleitertechnologie und ihrer weiteren Skalierung. Mehrere Kandidaten für neue Substrate werden derzeit untersucht, u.a. Materialien wie Germanium oder III-V-Halbleiter sowie 2D-Schicht-Materialien wie Graphen. Silizium, welches noch immer das am meisten genutzte Halbleitermaterial darstellt, weist bloß eine Elektronenmobilität von 1600 cm2 V-1 s-1 sowie eine Löchermobilität von 430 cm2 V-1 s-1 auf. Germanium zeichnet sich durch seine hohe Elektronenmobilität von 3900 cm2 V-1 s-1 und herausragende Löchermobilität von 1900 cm2 V-1 s-1 aus. Das innovative Material Graphen besitzt eine Elektronenmobilität von bis zu 200.000 cm2 V-1 s-1, allerdings stellt die Prozessintegration von Graphen in übliche Siliziumproduktionslinien ein kritisches Problem dar, da hochqualitative Graphenschichten bis heute ausschließlich durch Exfoliation von Graphen-Flocken aus Graphit herstellbar sind. Es wäre wünschenswert, die Mobilität in Silizium (oder in einem Siliziumkanal) zu steigern, um etablierte Prozessschemata der Silziumhalbleiterfertigung bewahren zu können. In ihrem Artikel [Physical Review Letters 104.24 (2010)] behaupten Kim u. a. die Existenz von fast masselosen Elektronen an der Grenzfläche zwischen Silizium und Metallfilmen. Sie zeigten mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie, dass ein Band mit fast masselosen Elektronen (fast 20 mal leichtere effektive Masse me als in Bulk-Silizium) und linearer Dispersionkurve erscheint, sobald eine Monolage Metall auf eine Si(111)-Oberfläche abgeschieden wird. Das Auftreten von fast masselosen Elektronen in solchen Strukturen kann durch ein Überlappen von Oberflächenzuständen an der Silizium-Metall-Grenzfläche erklärt werden. Kim u. a. führten auch Simulationen dieses Systems durch, welche in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Resultaten waren. Sie nannten ihr System daher 'Graphen-ähnliches Silizum'. Es wurde bereits von Dragoman u. a. in deren Artikel [Nanotechnology 23.30 (2012)]. versucht, einen Hochmobilitäts-MOSFET auf Silizium zu fertigen. Das Resultat ihrer Arbeit, nämlich die Herstellung eines funktionierenden Transistors, erwies sich als wertvolle Grundlage für diese Dissertation. In der vorliegenden Arbeit werden Schottky-Barrieren (SB) MOSFETs mit mittels Atomablagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) gewachsenen high-k Oxiden entwickelt. Das zugrunde liegende Halbleitermaterial ist Silizium mit (111)-Oberflächenorientierung. Zuerst werden Schottky-Barrieren-Kontakte untersucht und passende Parameter für die Herstellung von FET-Elementen ausgewählt. Das Layout für diese Feldeffekttransistor-Bauelemente wird dahingehend ausgelegt, dass es die Integration von ultra-dünnen (< 5 nm) Metalllagen ermöglicht, die Anzahl der benötigten Lithographieschritte minimiert, die Produktion vereinfacht und eine Testumgebung für weitere Arbeit im Bereich der SB-MOSFETs mit ALD-gewachsenen Oxiden ermöglicht. Die verwendeten ALD-Prozesse sind das Wachstum von Al2O3 (TMA+H2O als Präkursoren) und Y2O3 ((Cp)3Y+H2O) in einem Beneq TFS 200 Reaktor. Der Grund für die Verwendung von high-k ALD-Oxiden liegt in deren exzellenten dielektrischen Eigenschaften, welche eine hohe Oxidkapazität ermöglichen. Als eine Vorbedingung für die Herstellung von ultra-dünnen Metallschichten werden mehrere Experimente im Zuge dieser Arbeit durchgeführt. In-situ- Studien des elektrischen Widerstandes von Dünnschichten während der Bedampfung auf makellose Si(111)-Oberflächen werden durchgeführt und ein passendes Model entworfen, welche die Effekte während dieses Abscheideprozesses erklärt. Ein Anstieg des Widerstands während der Abscheidung der ersten Atomlagenschichten wird gezeigt, der bis jetzt nicht in der Literatur beschrieben wurde. Weiters werden mit ALD-Oxiden überdeckte dünne Metallschichten mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) charakterisiert, um die Qualität des Materialstapels und eine mögliche Oxidation des Metallfilms während des Prozesses zu untersuchen. Kapazitive Rasterkraftmikroskopie (Scanning Capacitance Microscopy, SCM) wird durchgeführt, wodurch neue Eigenschaften an die Oberfläche treten, die einer geänderten Bandstruktur im Siliziummaterial zugerechnet werden. Zusätzlich werden noch elektrische Messungen von MOS-Kondensatoren und MOSFETs gezeigt, welche eine ultra-dünne Metallschicht zwischen Bulk und Gate-Oxid aufweisen. Ein Halbleiterparameteranalysegerät wird verwendet, um die relevanten elektrischen Parameter wie Ladungsträgermobilität zu extrahieren.

Substrates with a high charge carrier mobility are a key issue in the progress of semiconductor technology and its further scaling. Several candidates for new substrates are currently investigated, e.g. bulk materials like Ge or III-V semiconductors as well as 2D-layer materials like graphene. Silicon, which is still the predominantly used semiconductor material, has a bulk electron mobility of only 1600 cm2 V-1 s-1 and a hole mobility of 430 cm2 V-1 s-1. Another well-known semiconductor, germanium, is particularly interesting for its high electron mobility of 3900 cm2 V-1 s-1 and its outstanding hole mobility of 1900 cm2 V-1 s-1. Graphene with its many innovative applications has a electron mobility of up to 200,000 cm2 V-1 s-1, however, process integration of graphene into conventional Si production lines seems to be still a critical issue due to the fact that the graphene layer in devices is produced by exfoliation of graphene flakes from graphite. It would be convenient if one would be able to increase the carrier mobility in silicon (or in a silicon channel) in order to keep the well-established processing schemes of silicon semiconductor manufacturing. In their paper, Kim et al. [Physical Review Letters 104.24 (2010)] claimed the existence of nearly massless electrons at the interface between Si and a metal film. They showed by means of Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy (ARPES) that a band with nearly massless electrons (nearly 20 times lighter effective mass me than in bulk Si) and a linear dispersion curve emerges if a monolayer of metal is deposited on a Si(111) surface. The appearance of nearly massless electrons in such structures can be accounted to the overlapping of surface states at the silicon-metal interface. Kim et al. also made simulations of this system which were in good agreement with the experimentally obtained results. They called their system therefore "graphene-like silicon". A concept to establish a high-mobility Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) on silicon has been already described once in a paper by Dragoman et al. [Nanotechnology 23.30 (2012)]. The result of their work, namely the manufacturing of a working transistor, proved to be a valuable foundation for this thesis. In this work, Schottky-Barrier (SB) MOSFETs with Atomic Layer Deposition (ALD) grown high-k oxides are developed, using Si(111) substrates. First, Schottky-barrier contacts are examined, resulting in the selection of suitable parameters for the manufacturing of FET devices. The layouts of these FET devices are designed to enable the integration of ultra-thin (< 5 nm) metal layers, to minimize the number of needed lithography steps, to simplify production and to provide a test-bed for further work in the field of SB-MOSFETs with ALD-grown oxides. The employed ALD processes are the growth of Al2O3 (TMA+H2O precursors) and Y2O3 ((Cp)3Y+H2O) in a Beneq TFS 200 reactor. The reasons for using high-k ALD oxides are their excellent dielectric properties which allow a high oxide capacitance. As a prerequisite for the establishment of ultra-thin metal layers, several experiments are performed within this work. In-situ resistance studies of the electrical behaviour of thin films during deposition onto pristine Si(111)-surface are made. A suitable model to explain the effects during this deposition process is developed. A resistance increase effect during the first layers of deposition is described which was not yet shown in literature. Furthermore, thin metal films coated by ALD oxides are characterized with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to assess the quality of the material stack and the possible oxidation of the metal film during processing. Scanning Capacitance Microscopy (SCM) measurements are performed which resulted in novel properties attributed to the altered band structure of the silicon material. Additionally, electrical characterizations of MOS capacitors and MOSFETs with an ultra-thin metal between bulk and the gate oxide are shown. Using a semiconductor parameter analyser, all relevant electrical parameters like the charge-carrier mobility are extracted.