Atomic layer deposition of high-k dielectric films for diamond mos structures

Abstract

Changes in the expected performance of electronic devices in extreme applications have heavily influenced investigation into Si-substitute materials having the ability to meet these demands. Two examples are especially pertinent to the performance of metal oxide semiconductor (MOS) devices. The first is the move towards films with high dielectric constants (high-κ); as more devices are integrated into the same circuit to facilitate the numerous system operations, the size of each device is greatly reduced necessitating exploration into more suitable options for replacing SiO₂ and Al₂O₃ films in transistors and capacitors to effectively control semiconductor charge carriers and prevent charge leakage. The second is investigation into ultra-wide band gap (UWBG) semiconductor materials to efficiently permit device operation in extreme conditions. Polycrystalline diamond (PCD) is an UWBG material that provides a costeffective option for MOS devices, but it has yet to be fully studied for these applications. The combination of high-κ films on PCD for MOS components has been limited to Al₂O₃ despite the ability to fabricate films with higher κ values by atomic layer deposition (ALD), a technique which imparts advantages of self-limiting and saturation reactions with atomic layer control, thus being advantageous for studying interfacial properties. The work in this thesis therefore explores dielectric oxides of Al (AlO), Ta (TaO) and Ti (TiO) for use in MOS structures, with PCD films utilized as the semiconducting layer. Novelty is achieved by investigating interfacial properties and fabrication issues, more specifically, the mechanical stability of AlO films on chemically different PCD surfaces, challenges related to the ALD of TaO films, energy band alignment between TiO and PCD, and the behaviour of MOSFETs utilizing TiO dielectrics on B-doped diamond (BDD). In all, this thesis provides a body of research pertinent to the use of ALD high-κ oxides for use in diamondbased MOS devices.

A incapacidade de os dispositivos eletrónicos em silício manterem o desempenho desejado nalgumas aplicações específicas levou à procura de novos materiais que cumpram os requisitos necessários. No caso particular dos dispositivos metal-óxido-semicondutor (MOS) esta procura tem sido feita a dois níveis. O primeiro envolve a utilização de filmes com constante dielétrica κ elevada: à medida que mais e mais dispositivos são integrados num mesmo circuito para possibilitar a multiplicidade das operações, o tamanho de cada dispositivo individual tem vindo a diminuir, o que leva à necessidade de procurar materiais para substituir os filmes convencionais de SiO₂ e Al₂O₃ em transístores e condensadores, de modo a manter o controlo do fluxo de portadores e evitar correntes de fuga. O segundo diz respeito à utilização de materiais semicondutores de banda extremamente elevada que possibilitem o funcionamento dos dispositivos em condições extremas. O diamante policristalino (DPC) tem estas características e oferece uma relação custobenefício favorável para o fabrico de dispositivos MOS, no entanto é ainda necessário o seu estudo para estas aplicações em concreto. A deposição de filmes com constante dielétrica elevada sobre o DPC tem sido limitada ao Al₂O₃, não obstante a possibilidade de fabrico de filmes com constante dielétrica mais elevada através da deposição por camada atómica (DCA), uma técnica que tem como vantagem inerente a ocorrência de reações químicas auto-limitantes e saturantes com controlo ao nível da camada atómica, sendo portanto vantajosa para o estudo das propriedades interfaciais. O trabalho desta tese explora assim a utilização de óxidos dielétricos de Al (AlO), Ta (TaO) e Ti (TiO) em estruturas MOS, com filmes de DPC como camada semicondutora. A novidade deste trabalho prende-se com o estudo das propriedades na interface e com questões de fabricação, mais especificamente com a estabilidade mecânica de filmes de AlO depositados em superfícies de DPC com terminações químicas diferentes, com desafios inerentes à DCA de filmes de TaO, com o alinhamento das bandas de energia entre filmes de TIO e DPC e com o desempenho de MOSFETs com dielétrico de TiO em filmes de diamante dopado com boro. Em suma, esta tese descreve um conjunto de conhecimentos pertinentes para a utilização de óxidos com elevada constante dielétrica depositados por DCA em dispositivos MOS baseados em diamante.