Studie van zuurstof defecten in III-V MOS componenten met behulp van elektrische en wiskundige methoden

III-V type halfgeleiders zijn als kanaal materiaal een aantrekkelijk alternatief voor Si in commerciële logic devices. Een van de belangrijkste obstakels, is het ontwikkelen van de bijhorende gate stack van hoge intrinsieke kwaliteit om een III-V Metaal-Oxide-Semiconductor (MOS) transistor met hoge en betrouwbare ON werking te bekomen. De defecten in dielectrica met een hoge dielektrische constante k, zijn daardoor een van de kern onderzoeksgebieden voor III-V devices. Door de nefaste invloed van deze defecten op de transistor prestatie, is het uiterst belangrijk om een beter begrip van deze defecten te verkrijgen en de door middel van hedendaagse karakterisatie technieken waargenomen fysische fenomenen te verklaren.

In dit werk, bestuderen we deze defecten op basis van elektrische en mathematische methoden. In het bijzonder, een gedetailleerd onderzoek naar twee experimentele observaties vormen het leeuwendeel van dit thesis werk: eerst, de frequentie dispersie in het accumulatie regime, en ten tweede de hysteris in de capaciteit van de III-V MOS condensatoren (MOSCAPs). De frequentie dispersie is toegeschreven aan een twee-staps, inelastisch Border Trap (BT) ontvangst/emissie proces op basis van de experimenteel waargenomen temperatuursafhankelijkheid. We stellen een nieuw, fysisch correct model voor dat geldig is voor de BT-electron interactie. Uitgaande van dit wiskundig model, definiëren we een nieuw kwaliteitsbaken en een stelsel van vergelijkingen voor het extraheren van de defect densiteit. De toepasbaarheid en de efficiëntie hiervan zijn geldig voor de verschillende gate stacks onderzocht in dit werk.

De hysteris is afhankelijk van de experimentele parameters maar is niet gebonden aan de samenstelling van de gate stack. Deze afhankelijkheid is toegeschreven aan een brede defect verdeling in de III-V gate stack, een specifieke eigenschap van deze materialen. Om deze hypothese te bevestigen, is een mathematisch model ontwikkeld. Dit model vertoont een nauwe overeenkomst met de experimentele data. Het waargenomen effect geeft meer informatie omtrent de defect densiteit in de gate stack. Een bijhorende karakterisatie methodologie is ontwikkeld en gevalideerd voor de verschillende gate stacks. In het bijzonder, we tonen aan dat het Al2O3 een zeer brede defect verdeling heeft over het volledige InGaAs band-gap en bijgevolg de povere betrouwbaarheid van het MOS device met het Al2O3 verklaart.

Het ontwikkelde model is ook gebruikt om de invloed van de verschillende ingenieurs technieken op de betrouwbaarheid te voorspellen. We voorspellen dat een verbetering in het energie profiel van de defect verdeling (en niet de densiteit) leidt tot een beduidende toename in betrouwbaarheid. Deze hypothese is experimenteel ondersteund door een case studie van de gate stack bestaande uit een nieuwe laag aan de interface met het III-V materiaal. Uitgaande van het hysteresis model, tonen we aan dat dankzij een structurele foutieve energie uitlijning en een verbeterd defect profiel, de betrouwbaarheid van III-V MOS devices voor de eerste keer de beoogde waarde zeer dicht benadert.