Advanced

Leakage current and breakdown of HfO2/InGaAs MOS capacitors

Winqvist, Edvin LU (2015) FYSK01 20151
Department of Physics
Abstract
With the constant downscaling of transistors, silicon as a production material is falling out of favour because of increasing power consumption when the size of devices becomes smaller. Compound materials from group III-V in the table of elements are promising candidates to replace silicon. The aim of this work was to study current-voltage characteristics of a MOS capacitor made of the III-V compound InGaAs. Three samples were produced using atomic layer deposition (ALD) to apply an oxide layer of the high-κ material HfO2 on the InGaAs surface. The thicknesses of these oxide layers were 4 nm, 6 nm and 6 nm where one of the 6 nm samples underwent post-metallisation annealing (PMA).

The electric field required to cause a hard breakdown... (More)
With the constant downscaling of transistors, silicon as a production material is falling out of favour because of increasing power consumption when the size of devices becomes smaller. Compound materials from group III-V in the table of elements are promising candidates to replace silicon. The aim of this work was to study current-voltage characteristics of a MOS capacitor made of the III-V compound InGaAs. Three samples were produced using atomic layer deposition (ALD) to apply an oxide layer of the high-κ material HfO2 on the InGaAs surface. The thicknesses of these oxide layers were 4 nm, 6 nm and 6 nm where one of the 6 nm samples underwent post-metallisation annealing (PMA).

The electric field required to cause a hard breakdown through the oxide was found to be ~0.81 GV/m for the 6 nm annealed sample, ~0.90 GV/m for the 6 nm as deposited sample and ~1.13 GV/m for the 4 nm sample. In all three samples, the breakdown field was widely distributed which indicates an InGaAs-HfO2 interface with a large variation in density of interface traps across the layer. The breakdown field was found to decrease with oxide thickness and PMA treatment, which might be attributed to a percolation path through the oxide being created more easily due to higher polycrystallinity in the thicker oxides.

The dominant leakage mechanism at higher biases was determined to be Fowler-Nordheim tunneling and was assumed to be direct tunneling or trap assisted tunneling at low bias. Temperature dependency measurements suggested that trap assisted tunneling gained significance at low bias when the temperature increased. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Antalet människor i världen med tillgång till elektroniska produkter som datorer och smartphones ökar kraftigt. I takt med att antalet produkter går upp så ökar även deras prestanda. Men är det bara att fortsätta bygga mindre och bättre komponenter för alltid? I den här artikeln beskrivs ett bekymmer som uppstår då elektroniska komponenter blir mindre, och några resultat från ett arbete som utförts i ett försök att hitta lösningar till problemet.

Datorer, smartphones och liknande moderna elektroniska produkter har en sak gemensamt: de skulle inte existera om det inte vore för transistorer. De komponenter som bygger upp alla tekniska prylar innehåller många miljoner, eller till och med miljarder, transistorer. Transistorns funktion kan... (More)
Antalet människor i världen med tillgång till elektroniska produkter som datorer och smartphones ökar kraftigt. I takt med att antalet produkter går upp så ökar även deras prestanda. Men är det bara att fortsätta bygga mindre och bättre komponenter för alltid? I den här artikeln beskrivs ett bekymmer som uppstår då elektroniska komponenter blir mindre, och några resultat från ett arbete som utförts i ett försök att hitta lösningar till problemet.

Datorer, smartphones och liknande moderna elektroniska produkter har en sak gemensamt: de skulle inte existera om det inte vore för transistorer. De komponenter som bygger upp alla tekniska prylar innehåller många miljoner, eller till och med miljarder, transistorer. Transistorns funktion kan liknas lite med en dörr. När ström går igenom en komponent i datorn så tar den olika vägar beroende om dörrarna den passerar är öppna eller stängda. Utifrån den väg genom labyrinten av dörrar som strömmen tar så tolkar datorn händelsen på olika sätt.

Den vanligaste typen av transistor är en MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) som består av tre lager av en metall, en oxid och en halvledare. Genom historien har kisel varit det absolut dominanta halvledarmaterialet och kiseldioxid har använts som oxidlager. Men när teknologin går framåt så går storleken på elektroniska produkter och transistorer nedåt, och då uppstår ett problem med kiseltransistorer. När transistorn är väldigt liten så börjar det läcka ström igenom oxidlagret. Denna läckta ström går förlorad, vilket innebär att energikonsumtionen går upp.

För att lösa problemet med ökad energikonsumtion så kan andra ämnen än kisel användas vid tillverkningen av transistorerna. Indiumgalliumarsenid som halvledare och hafniumdioxid som oxidlager är en lovande kombination av ämnen. Med hafniumdioxid istället för kiseldioxid kan transistorn tillverkas på ett sätt så att läckströmmen blir mycket mindre, trots att storleken på transistorn minskar, för att undvika en ökning av energikonsumtionen.

Indiumgalliumarsenid har också sina fördelar över kisel som halvledarmaterial. I indiumgalliumarsenid kan strömmen röra sig snabbare än i kisel, vilket gör att processer i datorn kan ske kvickare. Det kan ses som att dörrarna öppnas eller stängs snabbare mellan varje kommando som datorn ska tolka. I indiumgalliumarsenid krävs det även mindre energi för att öppna eller stänga en dörr, vilket också leder till lägre energikonsumtion.

I det här arbetet undersöktes transistorer av indiumgalliumarsenid och hafniumdioxid för att jämföra hur olika tillverkningsprocesser påverkar deras egenskaper. Det mättes bl.a. hur mycket läckström det går igenom hafniumdioxiden för olika tjocklekar av lagret. Det mättes också hur mycket transistorerna tål innan de går sönder, vilket de gör om de utsätts för en för hög spänning. I tillverkningsprocessen finns det många andra parametrar än tjockleken som kan ändras om man vill jämföra olika metoder, och ofta så glödgas transistorn efter tillverkning i ett försök att förbättra dess egenskaper. Glödgning är en process där transistorn behandlas i en ugn och värms upp till en hög temperatur under en liten tid.

Det visade sig att transistorerna med ett lite tunnare lager hafniumdioxid på 4 nm var tåligare än de med 6 nm. Vid jämförelser av olika transistorer tillverkade i det här arbetet så visade det sig också att resultaten försämrades hos transistorer som glödgats under tillverkningsprocessen.

Bland alla fördelar med indiumgalliumarsenid och hafniumdioxid över motsvarande kiselämnen så finns det förstås även nackdelar. Kisel är otroligt lättillgängligt och billigt eftersom det utvinns ur sand, och transistorer av kisel är väldigt lätta att tillverka. Detsamma kan inte sägas för indiumgalliumarsenid och hafniumdioxid där ämnena är dyra och processen att fästa oxidlagret på halvledaren är mycket svårare att få rätt än vad det är med kisel. Förhoppningarna är dock stora om att det inom en snar framtid ska finnas lösningar till hands som både kan öka prestandan och minska energikonsumtionen hos elektroniska produkter utan en alltför stor ökning av kostnaden. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Winqvist, Edvin LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20151
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
breakdown, leakage, ingaas, hfo2
language
English
id
5464920
date added to LUP
2015-06-05 14:13:10
date last changed
2015-06-05 14:13:10
@misc{5464920,
  abstract     = {With the constant downscaling of transistors, silicon as a production material is falling out of favour because of increasing power consumption when the size of devices becomes smaller. Compound materials from group III-V in the table of elements are promising candidates to replace silicon. The aim of this work was to study current-voltage characteristics of a MOS capacitor made of the III-V compound InGaAs. Three samples were produced using atomic layer deposition (ALD) to apply an oxide layer of the high-κ material HfO2 on the InGaAs surface. The thicknesses of these oxide layers were 4 nm, 6 nm and 6 nm where one of the 6 nm samples underwent post-metallisation annealing (PMA).

The electric field required to cause a hard breakdown through the oxide was found to be ~0.81 GV/m for the 6 nm annealed sample, ~0.90 GV/m for the 6 nm as deposited sample and ~1.13 GV/m for the 4 nm sample. In all three samples, the breakdown field was widely distributed which indicates an InGaAs-HfO2 interface with a large variation in density of interface traps across the layer. The breakdown field was found to decrease with oxide thickness and PMA treatment, which might be attributed to a percolation path through the oxide being created more easily due to higher polycrystallinity in the thicker oxides.

The dominant leakage mechanism at higher biases was determined to be Fowler-Nordheim tunneling and was assumed to be direct tunneling or trap assisted tunneling at low bias. Temperature dependency measurements suggested that trap assisted tunneling gained significance at low bias when the temperature increased.},
  author       = {Winqvist, Edvin},
  keyword      = {breakdown,leakage,ingaas,hfo2},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Leakage current and breakdown of HfO2/InGaAs MOS capacitors},
  year         = {2015},
}