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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2016.tde-18082016-142744
Documento
Autor
Nome completo
Bárbara Siano Alandia
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2016
Orientador
Banca examinadora
Santos Filho, Sebastião Gomes dos (Presidente)
Martino, João Antonio
Nicolett, Aparecido Sirley
Título em português
Fabricação e caracterização experimental de diodos túnel MOS Al/SiOxNy/Si(p) e TiN/SiOxNy/Si(p)
Palavras-chave em português
Corrente de fuga
Depleção profunda
Diodo túnel MOS
Diodos
Nitretação térmica rápida
Oxidação
Semicondutores
Resumo em português
Neste trabalho foram fabricados diodos túnel MOS Al/SiOxNy/Si(p) e TiN/SiOxNy/Si(p) com áreas de 300µm x 300?m e de 700?m x 700µm. Para o crescimento do oxinitreto de silício (SiOxNy), como dielétrico de porta, foi utilizado um forno térmico junto com um aparato de quartzo para processamento de apenas uma lâmina por vez. Foi empregada uma temperatura de processamento de 850°C e fluxos de gases ultrapuros ajustados na proporção em volume de 5N2 : 1O2 (2 l/min. de N2 e 0,4 l/min. de O2). Foi constatado que a nitretação térmica rápida do silício introduz armadilhas no dielétrico de porta de duas naturezas: a) armadilhas do tipo K na interface dielétrico-silício devido à existência de ligações Si?N que podem armazenar elétron, lacuna ou ficar em um estado neutro e b) armadilhas geradas devido à quebra das cadeias Si-O-Si durante a oxinitretação. As armadilhas criadas durante a nitretação térmica rápida, tanto na interface como no corpo, influíram no mecanismo de tunelamento através do dielétrico de porta que foi predominantemente do tipo tunelamento assistido por armadilhas (TAT). A partir da característica J-V típica de diodos túnel MOS com porta de Al, verificou-se para VG =-1V que os níveis de densidade de corrente atingem 64mA/cm2, valor que é superior aos valores obtidos para óxidos de porta com espessura na faixa de 1-1,5nm na literatura apesar do nosso dielétrico apresentar espessura média de 2,1nm. Tal fato foi uma evidência clara de que um outro mecanismo diferente de tunelamento direto ocorreu no oxinitreto de silício crescido. Nos diodos túnel MOS, com porta de Al, observou-se a presença de dois picos característicos na curva C-V, o primeiro deles em tensão de porta mais negativa com uma fenomenologia que permitiu extrair a tensão de faixa plana (VG = VFB). O segundo pico na característica C-V do diodo MOS com porta de Al ocorreu em uma tensão menos negativa VG=VK= -0,78V o que foi atribuído à uma capacitância devido às armadilhas de interface Si?N localizadas dentro da banda proibida junto à interface silício-dielétrico e cerca de 0,16eV abaixo do nível de energia intrínseco do semicondutor. Para tensões de porta positivas, foi também constatada uma clara dependência da densidade de corrente com a intensidade da luz (0,05W/cm2 e 0,1W/cm2) devido à taxa de geração dentro do semicondutor. Da modelagem do tunelamento de corrente na região de depleção, verificou-se que a largura de depleção resultou sistematicamente maior do que a largura de depleção de equilíbrio, fato que permitiu concluir que o diodo túnel MOS entra em um estado de depleção profunda quase estacionária induzida pela corrente de tunelamento que atravessa o dielétrico de porta.
Título em inglês
Fabrication and experimental caracterization of MOS tunnel AI/SiOxNy/Si(p) and TiN/SiOxNy/Si(p)
Palavras-chave em inglês
MOS tunnel diodes
Rápid thermal nitridation
Tunneling current
Resumo em inglês
In this work Al/ SiOxNy/Si(p) and TiN/SiOxNy/Si(p) MOS tunnel diodes were fabricated with areas of 300µm x 300µm x 700µm and 700µm. For the growth of silicon oxynitrides (SiOxNy) as gate dielectrics, it was used a heating furnace with a quartz apparatus for single wafer processing. It was employed a processing temperature of 850°C and ultrapure gas flows adjusted in a volume proportion of 5N2:1O2 (2 l/min of N2 and 0.4l/min of O2). It has been found that the rapid thermal nitridation of silicon introduces traps in the gate dielectrics of two natures: a) K-type traps at the dielectric-silicon interface due to Si?N bonds that can store electrons or holes or can stay in a neutral state and b) traps generated from broken Si-O-Si chains during the oxynitridation. The traps created at the interface and in the oxynitride bulk, both influenced the tunneling mechanism through the gate dielectrics, which was predominantly a trap assisted tunneling (TAT). For VG = -1V, the current density of the Al-gate MOS tunnel diodes reached 64mA/cm2, a value which is higher than the reported values obtained for gate oxides with thickness in the range of 1-1.5nm in spite of our oxynitride thickness is 2.1nm. This fact is a clear evidence that another mechanism, different from direct tunneling, occurred in the silicon oxynitrides. For Al-gate MOS tunnel diodes, it was observed the presence of two characteristic peaks in the C-V curve: the first for more negative gate voltage with a phenomenology that allows one to extract the flat band voltage (VG = VFB). The second peak was located at a gate voltage VG = VK = -0.78V corresponding to a depletion regime and its maximum of capacitance was attributed to Si?N interface traps located in the bandgap at the silicon-dielectric interface, about 0.16eV below the intrinsic energy of the semiconductor. It was also observed a clear dependence of the current density against the light intensity (0.05/cm2 to 0.10W/cm2) due to the carriers generation inside the semiconductor. From the modeling of the current mechanism through the depletion region, it was found that the depletion width was systematically higher than the depletion width at the thermal equilibrium regime, a fact showing that the MOS tunnel diode achieves an almost stationary deep depletion, which is feeded by the tunneling current through the gate dielectrics.
 
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Data de Publicação
2016-08-18
 
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