In-situ RHEED and characterization of ALD Al2O3 gate dielectrics

In-situ RHEED en karakterisatie van ALD Al2O3 gate diëlektrica Sinds de introductie van de MOSFET transistor (metaal-oxide-silicium veldeffecttransistor) in 1960, heeft de halfgeleidertechnologie een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Deze vooruitgang bestond hoofdzakelijk uit de mogelijkheid om transistoren met steeds kleinere afmetingen te maken en resulteerde in geïntegreerde circuits zoals de huidige Intel Pentium 4 processor, waarop 178 miljoen transistoren te vinden zijn. Niet alleen de complexiteit en de snelheid, maar bijvoorbeeld ook het energieverbruik en de kostprijs, zijn door deze verkleining voortdurend verbeterd en daarmee voor de consument aantrekkelijk gemaakt. De karakteristieke afmeting van de MOSFET-transistor is nu ongeveer 100 nm, terwijl dat 30 jaar geleden nog een factor 100 groter was. Inmiddels zijn een aantal fysische grenzen bereikt en is een verdere verkleining van de transistor niet mogelijk zonder drastische aanpassingen van het productieproces. Het doel van dit project was een bijdrage te leveren aan het oplossen van een belangrijke barrière in de vooruitgang van de halfgeleidertechnologie. Een van de belangrijkste onderdelen van de MOSFET-transistor is het gate-oxide. In de eerder genoemde ontwikkeling is het oppervlak steeds verkleind, met als gevolg dat het gate-oxide steeds dunner is geworden om voldoende capaciteit te behouden. Inmiddels heeft het gate-oxide echter een dikte bereikt van een tiental atoomlagen en kunnen elektronen al bij geringe spanning door het oxide tunnelen. Een materiaal met een hogere diëlektrische constante dan SiO2 maakt het mogelijk om de laagdikte te vergroten en daarmee de lekstroom te verkleinen. Dit heeft echter tot gevolg dat het relatief eenvoudige thermische oxidatieproces vervangen moet worden door een depositieproces. De laatste jaren wordt veel onderzoek verricht naar de zogenaamde atomic layer deposition (ALD) techniek, waarin door het sequentiële gebruik van gassen een gecontroleerde laag-voor-laag groei bereikt kan worden. Een voorbeeld van een ALD-proces, zoals toegepast in dit werk, is de depositie van aluminiumoxide Al2O3 door middel van trimethylaluminium (afgekort TMA) Al(CH3)3 en water H2O.Met behulp van RHEED (reflection high-energy electron diffraction) is het mogelijk om tijdens de depositie het oppervlak te analyseren. In deze techniek wordt een elektronenbundel onder een kleine hoek via het oppervlak van de sample gereflecteerd en zichtbaar gemaakt op een fluorescerend scherm. In-situ RHEED kan nuttige informatie opleveren over de depositie in het ALD-proces. In dit onderzoek is een experimenteel clustersysteem gerealiseerd in de cleanroom van het MESA+ Institute for Nanotechnology, bestaande uit o.a. een ALD-reactor met ingebouwd RHEED analysesysteem en een XPS analysesysteem. De resultaten van RHEED analyse tonen de verwachte afname van gereflecteerde electronen door depositie van aluminiumatomen. De waterpuls veroorzaakt een herstel van de gereflecteerde intensiteit, door het verwijderen van methylgroepen van het oppervlak. De gemeten intensiteit toont groei-initiatie door de TMA-puls en de daarop volgende groeiachterstand gedurende meer dan 10 cycli. Een discrete-tijd model van ALD is gebruikt om de afname van de gereflecteerde intensiteit te analyseren. De combinatie van informatie uit in-situ RHEED metingen en ALD groeimodellen, kan leiden tot verbeteringen van een model en bijdrage aan het bewijs van geldigheid. In hoofdstuk 1 wordt het onderzoek naar alternatieve diëlektrische materialen gemotiveerd. Hoofdstuk 2 bevat de resultaten van inleidend experimenteel werk, waarin Al2O3 lagen zijn gemaakt met behulp van de laserablatie techniek. De realisatie van de ALD reactor en de behaalde resultaten worden uitvoerig behandeld in hoofdstuk 3, gevolgd door het ingebouwde RHEED analysesysteem in hoofdstuk 4. In hoofdstuk 5 worden de resultaten van RHEED en XPS metingen met elkaar vergeleken, met behulp van een eenvoudig groeimodel. Tenslotte wordt in hoofdstuk 6 aandacht besteed aan de mogelijkheid om de elektrische eigenschappen van het oxide te karakteriseren met hoog frequente signalen en speciale test structuren.