Advanced

InAs MOS capacitors;Fabrication & Characterization

Vennberg, Felix LU (2016) FYSK02 20161
Department of Physics
Solid State Physics
Abstract
The down scaling of metal-oxide-semiconductor based devices has been halted by the shortcomings of silicon. To enable further miniaturization new materials are required. The proposed replacements include compound III-V semiconductors and high-k oxides, the implementation of which has been difficult. This work investigates metal-oxide-semiconductor capacitors fabricated on InAs substrate. The oxide layer was formed by atomic layer deposition of high permittivity materials, ZrO_2 and Al_2O_3. The quality of the InAs-oxide interface was to be investigated after in situ surface treatment method including cyclic nitrogen plasma and trimethylaluminum pulses. The measurements showed a large dispersion in capacitance-voltage (C-V) data and a high... (More)
The down scaling of metal-oxide-semiconductor based devices has been halted by the shortcomings of silicon. To enable further miniaturization new materials are required. The proposed replacements include compound III-V semiconductors and high-k oxides, the implementation of which has been difficult. This work investigates metal-oxide-semiconductor capacitors fabricated on InAs substrate. The oxide layer was formed by atomic layer deposition of high permittivity materials, ZrO_2 and Al_2O_3. The quality of the InAs-oxide interface was to be investigated after in situ surface treatment method including cyclic nitrogen plasma and trimethylaluminum pulses. The measurements showed a large dispersion in capacitance-voltage (C-V) data and a high leakage current through the oxide layer. Possible sources of the defects leading to poor C-V behavior of the MOS capacitors are subsequently investigated. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Smartphones ger dig tillgång till internet, tusentals appar och telefoni i en förpackning inte större än att den får plats i din ficka. Det är en av produkterna av 50 års forskning inom halvledarteknik. Forskning som idag står inför en stor utmaning med att fortsätta utvecklandet i samma takt som tidigare \cite{MArden2002371}. Den här artikeln beskriver försök att undersöka nya material som kan lösa problemet.

Utmaningen är att fortsätta förminska de komponenter som ingår i integrerade kretsar. Komponenterna är nu så små att de fysiska begränsningarna hos materialen de tillverkas av inte tillåter vidare reducering \cite{Riel}. Förminskning gör det möjligt att ha fler komponenter på liten yta, vilket i sin tur leder till kraftfullare... (More)
Smartphones ger dig tillgång till internet, tusentals appar och telefoni i en förpackning inte större än att den får plats i din ficka. Det är en av produkterna av 50 års forskning inom halvledarteknik. Forskning som idag står inför en stor utmaning med att fortsätta utvecklandet i samma takt som tidigare \cite{MArden2002371}. Den här artikeln beskriver försök att undersöka nya material som kan lösa problemet.

Utmaningen är att fortsätta förminska de komponenter som ingår i integrerade kretsar. Komponenterna är nu så små att de fysiska begränsningarna hos materialen de tillverkas av inte tillåter vidare reducering \cite{Riel}. Förminskning gör det möjligt att ha fler komponenter på liten yta, vilket i sin tur leder till kraftfullare kretsar.

Många viktiga beståndsdelar av integrerade kretsar är \textit{metal-oxide-semiconductor} (MOS) baserade. En MOS består av en halvledare och en metall med en oxid (isolator) emellan dem. De används för att skifta mellan att leda ström eller ej. De två lägena används för logik operationer \cite{jesus}.

Materialet som nu måste bytas ut är kisel (Si). Kisel används som halvledare i en MOS och dess oxid (SiO$_2$) som isolator. I en MOS är det viktigt att isolatorn släpper igenom så lite ström som möjligt. Förminskningar har gjort att kisel dioxiden är så tunn att ström genomsläppet är för stort \cite{Robertson}. Man försöker även hitta ett bra alternativ till kisel som halvledare. Det finns andra halvledare med bättre fysiska egenskaper som kan förbättra prestandan \cite{Riel}.

De nya materialen kräver nya tillverkningsmetoder. För att lägga oxiden på halvledaren undersöks Atomic Layer Deposition (ALD). ALD maskiner växer oxiden på halvledaren ett atomärt lager i taget och ger därför en precis kontroll över tjocklek. Det ger också förhoppningsvis ett minimalt antal föroreningar i oxiden \cite{ALD}.

Planen var att undersöka MOSar av oxiden zirkonium dioxid (ZrO$_2$) tillsammans med halvledaren indium arsenik (InAs) tillverkade med ALD. För att utvärdera dem tittar man på hur kapacitansen ändras med potentialen. Kapacitans är ett mått på förmågan att lagra laddning i komponenten. Att ha ett bra förhållande mellan kapacitans och potential är viktigt för att en MOS ska fungera.

Resultaten från mätningarna på InAs/ZrO$_2$ MOSarna var nedslående. De visade sig inte fungera som de var förväntade att göra. Tillverkningsprocessen felsöktes genom att tillverka nya prover med olika tillverkningsförhållanden, tyvärr utan förbättringar. Det fastställdes senare att ALD maskinen som användes vid framställandet var förmodligen källan till de felaktiga MOSarna.

Baserat på dessa resultat kan det inte fastställas om InAs/ZrO$_2$ kombinationen är gångbar som kisels efterföljare. Oavsett kommer forskningen inom halvledarteknologi att fortsätta leta efter nya alternativ för att fortsätta den teknologiska revolutionen vi sett under de senaste 50 åren. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Vennberg, Felix LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20161
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
language
English
id
8877475
date added to LUP
2016-06-08 14:34:39
date last changed
2016-06-08 14:34:39
@misc{8877475,
  abstract     = {The down scaling of metal-oxide-semiconductor based devices has been halted by the shortcomings of silicon. To enable further miniaturization new materials are required. The proposed replacements include compound III-V semiconductors and high-k oxides, the implementation of which has been difficult. This work investigates metal-oxide-semiconductor capacitors fabricated on InAs substrate. The oxide layer was formed by atomic layer deposition of high permittivity materials, ZrO_2 and Al_2O_3. The quality of the InAs-oxide interface was to be investigated after in situ surface treatment method including cyclic nitrogen plasma and trimethylaluminum pulses. The measurements showed a large dispersion in capacitance-voltage (C-V) data and a high leakage current through the oxide layer. Possible sources of the defects leading to poor C-V behavior of the MOS capacitors are subsequently investigated.},
  author       = {Vennberg, Felix},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {InAs MOS capacitors;Fabrication & Characterization},
  year         = {2016},
}