CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-K
4.1. Cấu trúc MOS HEMT
Điểm khác biệt của quy trình công nghệ chế tạo linh kiện MOS HEMT so với quy trình công nghệ thông thường là sau khi chế tạo điện cực nguồn (D) và cực máng (S), một lớp ô-xít siêu mỏng (5 ÷ 15 nm), có hằng số điện môi cao (high-) như Gd2O3 HfO2, Al2O3 hoặc Ga2O3 được phủ lên trên bề mặt bán dẫn trong vùng cực cổng bằng công nghệ lắng đọng từng lớp nguyên tử (ALD) (hình 4.1a) [104].
Lớp ô-xít trong cấu trúc MOS có vai trò làm giảm dòng rò và dòng sụt xuất hiện trong thiết bị chưa được thụ động hóa gây ra bởi các bẫy điện tử tồn tại giữa cực cổng và cực máng và tăng cường mật độ điện dung cực cổng, qua đó làm tăng khả năng điều khiển dòng của transistor HEMT. Độ rộng vùng cấm của lớp điện môi cực cổng phải đủ lớn để hình thành sự gián đoạn trong vùng năng lượng của cấu trúc MOS (HfO2 – 5,45 eV, Al2O3 – 6,75 eV) [105]. Tuy nhiên, chất lượng của bề mặt tiếp xúc bán dẫn và lớp điện môi này đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đặc tính các linh kiện như MOSFET. Các bẫy tồn tại trên bề mặt tiếp xúc sẽ gây ra sự suy giảm của nhiều tính chất như hệ số truyền dẫn, độ linh động hạt tải và điện áp ngưỡng [106],[107], [108].
a) b)
Hình 4.1. (a) Sơ đồ mặt cắt ngang của một linh kiện MOS-HEMT điển hình và (b) tụ MOS.
Điện cực cổng của linh kiện bao gồm các lớp vật liệu kim loại, ô-xít và bán dẫn được gọi là cấu trúc MOS (Metal - Oxide - Semiconducor) hoặc tụ điện MOS
97 (MOS Capacitor - MOSCAP) [109]. Các tụ điện MOS gồm một lớp ô-xít nằm giữa một chất bán dẫn và cổng kim loại. Màng bán dẫn và điện cực kim loại là hai bản cực của tụ điện, còn lớp ô-xít hoạt động như màng điện môi. Diện tích của điện cực kim loại xác định diện tích làm việc của tụ điện (hình 4.1b).
Đặc tính quan trọng nhất của tụ điện MOS là điện dung C của nó được thay đổi theo điện áp một chiều đặt lên cực cổng VDC. Điện dung của tụ điện phẳng có thể được xác định từ biểu thức sau đây:
𝐶 =𝜖0𝜖𝑟𝐴
𝑡
Trong đó 𝜖0 là hằng số điện môi của chân không
𝜖𝑟 là hằng số điện môi của vật liệu 𝐴 là diện tích vùng liên kết của điện cực kim loại 𝑡 là độ dày lớp điện môi giữa hai bản cực tụ điện
Hình 4.2 mô tả đường cong C-V tần số cao điển hình của cấu trúc tụ MOS trên nền bán dẫn Si loại n. Khi điện áp dương (𝑉𝐺 > 0) đặt vào cổng kim loại, phần lớn các hạt điện tử sẽ tập trung trên bề mặt bán dẫn tại phân biên ô-xít/bán dẫn. Kết
quả là điện dung tổng trong cấu trúc MOS bằng điện dung lớp ô-xít cực cổng. Điện dung (𝐶𝑜𝑥) của cấu trúc MOS được đo trong vùng tích tụ mạnh và đạt giá trị cực đại - 𝐶𝑚𝑎𝑥. Độ dày lớp ô-xít (𝑡𝑜𝑥) cũng có thể được xác định từ giá trị điện dung 𝐶𝑚𝑎𝑥.
Hình 4.2. Đặc trưng C-V tần số cao của tụ MOS lý tưởng trên đế bán dẫn Si loại n, đo ở
nhiệt độ phòng.
98 Khi tần số đo là đủ thấp để tốc độ quá trình phát sinh và tái hợp hạt tải tại bề mặt bán dẫn bằng hoặc nhanh hơn tần số của điện áp xoay chiều AC, thì nồng độ lỗ trống có thể theo kịp tín hiệu AC và dẫn đến việc đáp ứng với tín hiệu đo. Như vậy,
vùng bề mặt sẽ có tính dẫn điện tốt. Sự xuất hiện của các đường cong tần số thấp xảy ra ở 𝑓 100 Hz. Tại một giá trị điện áp âm đặt vào cực cổng 𝑉𝐺 đủ lớn, hầu hết các hạt dẫn không cơ bản đều nằm trong lớp đảo, tức là đạt trạng thái bão hòa, độ
rộng vùng nghèo đạt giá trị tối đa và khi đó, điện dung của tụ MOS đạt giá trị tối thiểu được gọi là điện dung tối thiểu (𝐶𝑚𝑖𝑛) và được minh họa trong hình 4.2 (vùng đảo – inversion).
Hình 4.3. Đặc trưng C-V điển hình của tụ MOS trên cơ sở bán dẫn GaN loại n, ở 300 K.
Trong trường hợp các tụ điện MOS trên đế bán dẫn GaN (là bán dẫn có vùng cấm rộng hơn), các quá trình vật lý xảy ra đối với hạt tải sẽ khác với tụ điện trên đế
bán dẫn Si. Khi quét điện áp từ vùng bão hòa sang vùng nghèo qua cấu trúc MOS trên đế GaN loại n, lớp đảo không thể hình thành do tốc độ phát sinh hạt dẫn không cơ bản rất chậm. Như vậy, khi tiếp tục giảm điện áp, thì độ rộng vùng nghèo vẫn
tiếp tục gia tăng (tiếp tục trở nên rộng hơn vào sâu trong bán dẫn GaN). Như vậy, điện dung tiếp tục giảm xuống dưới giá trị của 𝐶𝑚𝑖𝑛, như minh họa trong hình 4.3.
Vùng này được gọi là nghèo sâu.
Như vậy, đối với các linh kiện MOS HEMT, việc nghiên cứu công nghệ lắng đọng màng siêu mỏng ô-xít có hằng số điện môi cao (high - k) và có chất lượng cao trên bề mặt bán dẫn GaN cũng như các đặc tính của hạt dẫn tai bề mặt phân biên ô-
99 xít/ bán dẫn là hết sức quan trọng. Chương này của luận án trình bày các nghiên cứu và công nghệ chế tạo cấu trúc MOS sử dụng ô-xít SiO2, HfO2, Al2O3 trên đế bán dẫn GaN và khảo sát đặc trưng điện của linh kiện. Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các điện tích bị giữ lại tại bề mặt phân biên do các sai hỏng, tác giả đã nghiên cứu chế tạo các cấu trúc GaN MOSCAP với lớp điện môi cực cổng dày 5, 10, 15 và 20 nm bằng hệ thiết bị lắng đọng lớp nguyên tử (Atomic layer deposition - ALD).