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