Capacitance voltage spectroscopy in metal-tantalum pentoxide (Ta250)-silicon MOS capacitors

Abstract

Adı-Soyadı: Pınar ÖZDAĞOkul: İzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüAnabilim Dalı: FizikProgramı: Fizik (Yüksek Lisans)Tez Başlığı: Metal-Tantalyum pentoksit (Ta2O5)-Silisyum MOSKapasitörlerin Kapasite-Gerilim Tekniğiyle İncelenmesiÖZETRF (yüksek frekans) magnetron püskürtme tekniğiyle hazırlanmış, Al-Ta2O5-Si metal-oksit-yarıiletken (MOS) kapasitörlerin bir kısmı oksit tabakasınınbüyütülmesinden önce N2O ve NH3 gaz ortamlarında 700-850 ºC alttaş sıcaklıkaralığında nitürleme işlemine maruz bırakılmış, ve nitürlenmiş ile nitürlenmemişörneklerin elektriksel özellikleri, oksit tabakasının ve oksit-yarıiletken ara yüzeyininkalitesi Kapasite-Gerilim metoduyla incelenmiştir. Teorik ideal kapasite-gerilimhesaplamaları deneysel kapasite-gerilim ölçümleriyle karşılaştırılmış ve Ta2O5 oksittabakası içindeki etkin oksit yük yoğunluğu, Qeff, ve Ta2O5-Si ara yüzeyindeki tuzakyoğunluğu, Dit, hesaplanmıştır. Bunun yanı sıra deneysel veriler kullanılarak,dielektrik sabiti, katkılama konsantrasyonu, düz bant voltaj değerleri bulunmuştur.Son olarak, oksit büyütme koşullarının Ta2O5 MOS kapasitörler üzerindeki etkisireferans örneği olan SiO2 MOS kapasitörle karşılaştırılmıştır.Sonuç olarak, Ta2O5 MOS kapasitörler için 12 ye varan dielektrik sabitleri eldeedilmiştir ki bu değer kapasitans değerini SiO2 MOS kapasitörün kapasitansdeğerinden bir kaç kat yukarıya çıkarmıştır. Ara yüzey tuzak yoğunluğu, Dit,nitürlenmemiş örnekler için 1.6x1012 cm-2 eV-1 civarında bulunmuştur. Ancak budeğer SiO2 MOS kapasitörün ara yüzey tuzak yoğunluğuyla karşılaştırıldığındayaklaşık olarak beş katlık bir artış gözlemlenmiştir. Öte yandan nitürleme işlemi arayüzeyin kalitesini arttırmış ve nitürlenmiş örnekler için Dit değeri 2-5x1011 cm-2 eV-1civarına düşürülmüştür. Etkin oksit yüleri açısından, Qeff, nitürlenmemiş örnekleriçin 3x1012 cm-2 ye kadar artan değerler hesaplanmıştır. Nitürleme işlemi ara yüzeykalitesini arttırsa bile, Qeff değerleri SiO2 MOS kapasitörle karşılaştırıldığında halayüksek olduğu gözlemlenmiştir. En iyi elektriksel ve ara yüzey özellikleri 800 ºC'deyapılan nitürleme işlemi sonuçunda elde edilmiştir. Sonuç olarak, N2O gaz ortamında800 ºC'de yapılan nitürleme işlemi dielektrik sabitini arttırmış ve etkin oksit yükyoğunluğu, Qeff, ve ara yüzey tuzak yoğunluğu, Dit, değerlerini SiO2 MOSkapasitörün değerlerine kadar düşürmüştür.Bu sonuçlar gösteriyor ki, nitürleme işlemi Al-Ta2O5-Si MOS kapasitörlerinoksit ve oksit-yarıiletken ara yüzey özelliklerini geliştirmede umut vaad eden biryaklaşımdır. Ancak, büyük ölçeklerde fabrikasyon işlemine geçmeden önce yüksekdielektik sabitine sahip MOS kapasitörlerdeki oksit yüklerinin ve ara yüzey tuzakyoğunluklarının incelenmesi ve iyileştirilmesi gerekmektedir.

Name: Pınar ÖZDAĞSchool: İzmir Institute of TechnologyDepartment: PhysicsMajor: Physics (Master)Title of Thesis: Capacitance Voltage Spectroscopy In Metal-Tantalum pentoxide(Ta2O5)-Silicon MOS CapacitorsABSTRACTThe electronic properties of Al-Ta2O5-Si MOS capacitors with oxide layersprepared by RF magnetron sputtering with or without a prior nitridation process inN2O or NH3 gas environments at temperature ranges between 700 ºC to 850 ºC wereinvestigated using Capacitance-Voltage (C-V) Spectroscopy to determine the qualityof oxide layer and oxide-silicon interface. The theoretical ideal capacitance-voltagecalculations were compared with the experimental capacitance-voltage results inorder to evaluate effective oxide charges, Qeff , present inside Ta2O5 insulating layerand density of interface trap states, Dit, present at the Ta2O5-Si interface. In addition,dielectric constant, doping concentration, flat band voltage values were determinedby using the experimental data. Finally, the effects of deposition conditions on Ta2O5MOS capacitors were compared by using a reference sample of a MOS capacitor withnative oxide SiO2.It has been found that dielectric constant value up to 12 have been reached forTa2O5 insulating layers which increases the capacitance value several times than thatof MOS capacitor with native oxide SiO2. The density of interface trap states, Dit, forunnitrided Ta2O5 MOS capacitors, values around 1.6x1012 cm-2 eV-1 have beendetected which is much higher than that of MOS capacitor with native oxide SiO2.However, prior nitridation process enhances the interface properties and Dit valuesdown to 2-5x1011 cm-2 eV-1 have been reached for the nitrided samples which is in thelimits for MOS capacitors with high quality insulating layers. In addition, theeffective oxide charges, Qeff, for unnitrided samples, values as high as 3x1012 cm-2were detected. Even though nitridation process enhances interface properties, theeffective oxide charges are found to be higher for nitrided samples. Best electrical andinterface properties are obtained by nitridation process at 800 ºC in N2O and NH3. Itcan be inferred that samples nitrided in N2O gas at 800 ºC improves the dielectricconstant above the level of SiO2 and decreases both Qeff and Dit levels to that of nativeoxide SiO2.These results show that a prior nitridation of p-silicon surface is a promisingapproach to improve both oxide and interface properties of Al-Ta2O5-Si MOSdevices. However, further investigation is necessary to understand the nature of theseoxide charges and interface properties of MOS devices with high dielectric constantoxide layers before integration into large scale fabrication.