High-k dielectric thin films on germanium

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorPutkonen, Matti
dc.contributor.advisorRahtu, Antti
dc.contributor.authorRalli, Kirsi-Leena
dc.contributor.departmentKemian tekniikan osastofi
dc.contributor.schoolTeknillinen korkeakoulufi
dc.contributor.schoolHelsinki University of Technologyen
dc.contributor.supervisorNiinistö, Lauri
dc.date.accessioned2020-12-04T19:39:41Z
dc.date.available2020-12-04T19:39:41Z
dc.date.issued2005
dc.description.abstractDiplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu kahden tärkeimmän puolijohdemateriaalin, piin ja germaniumin, eroja ja yhtäläisyyksiä. Tarkastelussa on painotettu germaniumin käyttöä substraattimateriaalina. Mikroelektroniikan sovelluksista on käsitelty tarkemmin metallioksidipuolijohdekanavatransistorin, eli MOSFET-transistorin, rakennetta ja toimintaa. Ohutkalvojen kasvatustekniikoista on käsitelty niitä menetelmiä, joita on aikaisemmin hyödynnetty kasvatettaessa eristeohutkalvoja germaniumin päälle. Menetelmien pääpiirteiden lisäksi on tarkasteltu kyseisten eristeohutkalvojen tutkimustuloksia. Diplomityön kokeellisessa osassa kasvatettiin eri paksuisia Hf02 ja Ti02 ohutkalvoja pii- ja germaniumsubstraattien päälle atomikerroskasvatus- eli ALD-menetelmällä. Osa germaniumsubstraateista esikäsiteltiin väkevällä HCI, H202, UNO3 tai 1 % HF liuoksella. Kasvatukset suoritettiin 300 °C lämpötilassa ja lähtöaineina käytettiin hafniumtetrakloridia, HfCI4 tai titaanimetoksidia, Ti(OCH3)4 ja vettä. Ohutkalvojen fysikaaliseen karakterisointiin käytettiin ellipsometriä ja röntgenrefflektometriä (XRR). Kalvojen sähköisiä ominaisuuksia analysoitiin mittaamalla kapasitanssi-jännite (C-V) ja virta-jännite (I-V) käyrät valmistetuista metallioksidipuolijohde (MOS) kondensaattorirakenteista. Tämän lisäksi fotolitografian avulla valmistettiin kaksi erilaista MOS kondensaattorirakennetta, joissa käytettiin elektrodina ALD -menetelmällä kasvatettua niobinitridiohutkalvoa. NbN ohutkalvot kasvatettiin 400 °C lämpötilassa ja lähtöaineina käytettiin niobipentakloridia, NbC15 ja ammoniakkia. Valmistetuista Al/Ge/Hf02/NbN ja Al/Si/SiO/Ta2O5/NbN/Al kondensaattorirakenteista mitattiin ainoastaan C-V ja I-V käyrät. Väkevällä HCI, H202 tai 1 % HF liuoksella esikäsitellyn germaniumsubstraatin ja Hf02 tai Ti02 kalvon välinen kerros todettiin ohuemmaksi kuin käsittelemättömän germaniumin ja vastaavan kalvon välinen kerros. Väkevä H202 todettiin tehokkaimmaksi etsausliuokseksi. Hf02 kalvon kasvunopeus germaniumille (0,53 - 0,58 Å/sykli) oli hieman suurempi kuin piille (0,49 - 0,51 Å/sykli). Myös Hf02 kalvojen taitekertoimet olivat germaniumin päällä (2,063 - 2,152) hieman korkeampia kuin piin päällä (1,897 - 2,131). Germaniumille kasvatettujen Ti02 kalvojen taitekertoimet (2,334 - 2,380) olivat sen sijaan pienempiä kuin piille kasvatettujen Ti02 kalvojen taitekertoimet (2,473). Germaniumin päälle valmistetuista MOS kondensaattorirakenteista, joissa oli eristeenä Hf02, mitattiin yleensä korkeampia kapasitanssiarvoja kuin vastaavista piin päälle valmistetuista kondensaattorirakenteista. Toisaalta pienimmät C-V hystereesit mitattiin tyypillisesti piille valmistetuista MOS-rakenteista. Pienin ekvivalenttioksidipaksuus (EOT); 3,1 nm, laskettiin kondensaattorirakenteelle, jonka Hf02 kalvon paksuus oli 7,4 nm (ellipsometrimittaus) tai 6,5 nm (XRR -mittaus). Sekä piille että germaniumille kasvatetun Hf02 kalvon suhteellinen permittiivisyys vaihteli välillä 17 - 21. Pienimmät vuotovirrantiheydet mitattiin yleensä piille valmistetuista MOS-rakenteista, joissa oli eristeenä joko Hf02 tai Ti02. Kaikista pienin vuotovirrantiheys (7,8.10-8 A/cm2 -2 V jännitteellä) mitattiin kuitenkin germaniumin päälle valmistetusta MOS kondensaattorirakenteesta, jonka Hf02 kalvon paksuus oli 14,6 nm (ellipsometrimittaus) tai 12,2 nm (XRR -mittaus). Vertailtaessa Hf02 ja Ti02 eristekalvoja keskenään huomattiin, että Al/Ge/Ti02/Al näytteestä mitattiin suurempia vuotovirrantiheyksiä kuin Al/Ge/Hf02/Al näytteestä huolimatta jälkimmäisen rakenteen hieman paksummasta oksidikerroksesta. Lisäksi ALD -menetelmällä kasvatettu NbN kalvo vaikutti toimivan höyrystettyä alumiinia paremmin yläelektrodina. Al/Ge/Hf02/NbN näytteistä mitattiin sekä pienempiä vuotovirrantiheyksiä että korkeampia kapasitanssiarvoja kuin Al/Ge/Hf02/Al näytteistä huolimatta ensiksi mainittujen rakenteiden hieman paksummista oksidikerroksista. Si/SiOx/Ta2O5/NbN/Al näytteitä analysoitaessa huomioitiin mitattujen C-V käyrien erittäin suuret siirtymät (10 - 12 V) positiivisen jänniteakselin suuntaan.fi
dc.format.extentix + 102 s. + liitt. 34
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/92944
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-2020120451779
dc.language.isoenen
dc.programme.majorEpäorgaaninen kemiafi
dc.programme.mcodeKem-35fi
dc.rights.accesslevelclosedAccess
dc.titleHigh-k dielectric thin films on germaniumen
dc.titleGermaniumin päällä olevat eristeohutkalvot, joilla on korkea dielektrisyysvakiofi
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotPro gradu -tutkielmafi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_14167
local.aalto.idinssi29889
local.aalto.openaccessno

Files