MOS YAPISINDA SiO 2 NİN KOMPLEKS DİELEKTRİK SABİTİNİN FREKANSA BAĞLI DEĞİŞİMİNİN C-V ÖLÇÜM YÖNTEMİYLE BELİRLENMESİ

Transkript

1 MOS YAPISINDA SiO NİN KOMPLEKS DİELEKTRİK SABİTİNİN FREKANSA BAĞLI DEĞİŞİMİNİN C-V ÖLÇÜM YÖNTEMİYLE BELİRLENMESİ Determining the Change of Complex Dielectric Constant of SiO Frequency Dependence by Using the Method C-V Measurements in MOS Structure Mehmet KOŞAL Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı Süleyman BOZDEMİR Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü ÖZET Bu çalışmada bir MOS yapısındaki silisyum dioksidin dielektrik özelliklerinin frekansa bağlı değişimi incelendi. Burada dielektrik özellikler kompleks bağıl dielektrik geçirgenliğinin gerçek ve sanal kısımları anlamındadır. Deneysel ölçümler, oda sıcaklığında ve basıncında yapıldı. Farklı frekanslardaki dielektrik sabitinin değerlerini bulmak için C-V yönteminden çıkartılan kapasitans ve voltaj ölçümleri kullanıldı. C-V yöntemi metal ile yarıiletken arasında yarıiletken yüzeyine yakın bölgelerde yerleşen yük tuzaklanmasının anlaşılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Böylelikle bu arayüzeydeki arayüzey kutuplanması ile ilgili birtakım bilgiler de çıkartılmaya çalışıldı. ABSRACT In this work the change dielectric properties, depending on frequency, of material SiO in a MOS structure was investigated. Where dielectric properties mean that both the real and imaginary parts in the complex relative dielectric permitivity. The expiremental measurements were made in room temperature and pressure. In order to find the values of dielectric constant in different frequencies, the values taking from capacitancies and voltage in measurements of method C-V were used. Method C-V is used commanly in understanding of trapping charges in the regions near Si-metal interface. Therefore, it is also tried to take out some knowledge dealing with interfacial polarization in this interface. Giriş Bu çalışmada kullanılan MOS yapısının (SiO ) tabakasının dielektrik sabitinin gerçek ve sanal kısımlarının frekansa bağlı değişimleri 00 khz ile 0 MHz arasında seçilen on farklı frekans noktasında çıkarıldı. Yüksek Lisans Tezi MSc. Thesis

2 Arayüzey Uzay Yük Kutuplanması Polyokristal materyallerde birleşme yüzeylerinde serbest yükler birikebilirler, bu da kristalin arayüzey kutuplanmasını doğurur. Bu birikmiş yükler, elektrotlardaki görüntü yükleri etkiler ve diğer kutuplanmalara olumlu etkide bulunurlar. Arayüzey kutuplanması üzerine temel düşünce; kristaller arası ayırıcı yüzeylerle bağlantılıdır. Bu yüzeyler, serbest yüklerin bir kristalden diğerine hareketini engelleyici rol oynarlar. Bu engeller, herhangi bir hava katmanından veya kristal dokusunun özüne nispeten yüzey katmanının oksidasyon ile kaplanmasından kaynaklanabilir. Bu konuda çalışanlardan bir kısmı (Popescu M. ve Ion B.,984), arayüzey kutuplanmasının nedeninin gerçek tek bir kristaldeki kusurlar (boşluklar, safsızlıklar, çatlaklar) üzerinde boşluk yüklerinin birikimi olduğu söylemişlerdir. MIS yapısı iki önemli arayüzeye sahiptir. Bunlar metal/yarıiletken ve yalıtkan/yarıiletken arayüzeylerdir. İdeal bir durumda yarıiletken tabakasında ve metalin yalıtkana bitişik kısmında yükler vardır. Doğru beslem şartlarında yalıtkan üzerinden herhangi bir akımı geçicisi olmaz. Gerçek MIS yapılarında yarıiletken/yalıtkan arayüzeyinde elektronik durumlar oluşur ve bundan ötürü bazı yapılarda yalıtkan üzerinden akım oluşur. Gerçekte yapıların yalıtkan/yarıiletken arayüzeyine yerleşen bu elektronik durumlar bulunur ve yapının bu davranışı ideal durumunkinden farklılaştırır. Bu elektronik durumların sebebi yüzeydeki periyodik latis yapısının kesintiye uğramasıdır (Konofaos N.,997 ). Bundan ötürü elektronik (yüzey) durumları yarıiletken yasak band aralığı içinde oluşur ve yapının kapasite gerilim karakteristiğini etkiler. Bu çalışmanın amacı, yapıyı oluşturan Si ve SiO tabakalarının kapasitesi yardımıyla yalıtkan tabakanın kompleks bağı dielektrik sabitin gerçek ve sanal kısımlarının frekansa bağlı değişimlerini bulmaktır. Bunun için kapasitans-voltaj (C-V) ölçümleri kullanıldı. Bu ölçümler esnasında yapıda oluşan arayüzey durumları, arayüzey kutuplanması ile birleştirilip anlaşılmaya çalışıldı. Materyal ve Metot Çalışmada kullanılan 00 yönelimli, öz direnci Ω.cm olan p-tipi silisyum kristali parlatma, oksidasyon ve metal kaplama işlemleri bir başkası tarafından yapılmıştır. Parlatma ve yıkama işlemleri şöyle ifade edilmiştir: "Kristalin bir yüzü satıcı firma tarafından parlatılmış ve parlatılmayan yüzünde alüminyum kaplanarak omik kontak oluşturuldu. Kristali temizleme işlemi sırasıyla üçer beher konulan ksilen, triklor etilen, aseton ve deiyonize bidestile su kullanılarak yapıldı. Silisyum kristaller her beherde yaklaşık on dakika bekletildikten sonra kurutma kağıdı ve azot gazı yardımıyla kurutuldu. Kristal omik kontaklı yüzüne yaklaşık sıfır dirence sahip gümüş pasta ile kontak teli yapıştırıldı. Bu yüzey yüksek kaliteli siyah wax ile kaplandı.'' Kaplamanın amacı oksitlenmesini önlemektir Anodik oksidasyon yapmak için :''Örneklerin ön yüzlerinde ortamdan dolayı oluşan ince oksit tabakasını kaldırmak için HF ( Hidroflorik Asit ) ile silindi ve deiyonize bidestile su ile yıkayıp azot gazı ile kurutuldu." Örneklerin bu işlemden önce anodik oksidasyon düzeneğinde elektrolit içine batırtılarak sabit gerilim koşulu altında oksitlendiği ifade edildikten sonra silisyumun anodik oksidasyonundaki tepkimeler sıralanmıştır. Örneğin metal kaplanması için şu işlem sırası izlenmiştir: '' i) Saf alüminyum küçük parçalara ayrıldı. Bu parçalar metanol içinde 5 dakika süreyle ultrasonik temizleyicide temizlendi. ii) 8 ml deiyonize su ve ml hidroklorik asit ( HCl) karışımında alüminyum parçalar temizlendi. iii) Bu çözeltiden gelebilecek kirliliğe karşı deiyonize su ile Al parçaları yıkanıp kurutuldu. iv) Al parçalarından biri alınarak aşağıda anlatacağımız buharlaştırma sisteminde mikro organizmaların veya geriye kalan kirliliğin temizlenmesi için eritildi. v) Silisyum örneği vakumlu buharlaştırma odasına yerleştirildi. Buharlaştırma odasında akım kaynağının uçlarına tungsten pota yerleştirildi. Buraya daha önce küreselleşmesi için Al yerleştirilmişti. Potanın üzerine iki ucu açık silindir madde ve bunun üst ucuna mm çaplı deliklere sahip maske yerleştirildi. Kristal, oksitlenmiş tarafı maskenin üst kısmına gelecek şekilde yerleştirildi. 0-5 mbar basınçta tungsten potanın uçlarına akım verilerek oksit üzerine alüminyum kaplanmıştır." Böylelikle; çoğunluk taşıyıcıları sayısı (N A ) 8*0 4 cm -3, yarı iletkenin iç direncinin Ω.cm ve kalınlığının mm olan silisyum kristali üzerinde 0-5 tane MOS elamanı elde edilmiştir. Bu MOS elemanlarının oluşturduğu oksidin kalınlığı ise yaklaşık olarak 400 A 0 ve kesit yarıçapları 0.5 milimetredir ( Çelik Ö., 998). Arayüzey Kutuplanmasının Modelleştirilmesi

3 Arayüzey kutuplanmasının örneği iki katmanlı Maxwell-Wagner kondansatörüdür. Bu kondansatör farklı dielektrik sabitleri ( ε, ε ), iletkenlikleri ( σ, σ ) ve kalınlar (d, d ) olan iki dielektrikten ibarettir (Popescu M., Ion Bunget.984). MOS yapısının SiO kompleks dielektrik sabitinin gerçek ve sanal kısımları; ε τ + τ τ + ω = (.) Co ( R + R ) + ω τ ττ τ ε ( τ + τ ) ω ττ + ω τ = (.) ωc ( R + R )( ω τ ) o + şeklinde elde edilir. Burada τ =R C, τ = R C ve τ R R ( C C ) R + = (.) + R ile verilir (Popescu M., Ion Bunget.984). Araştırma Bulguları Kapasite Voltaj (C-V) ve İletkenlik Voltaj (G-V) Ölçümleri Ölçümler 00 khz 'den başlayarak alınabildi. Bunun nedeni silisyumun anodik olarak oksitlenmesinde oluşan SiO katmanının Si/SiO arayüzeyindeki kusurlu durumlardan kaynaklandığı öne sürülen gelişigüzel sinyallerin belirmesidir. Bu sinyaller -0 4 Hz mertebesinde bir frekans dilimine karşılık gelmektedir (Uren, M. J.,978). Bu istenmeyen sinyaller, bulunmak istenen kapasite ve iletkenlik üzerinde gelişigüzel etkileri oluşturmaktadır. Dolayısıyla yapının C-V ve G-V ölçümleri 00 khz den itibaren alındı. Yukarıda özellikleri sayılan MOS yapısının önceki bölümdeki denklemlerde yerine yazılacak olan verileri V genlikli 00 khz ile 0 MHz arasında farklı frekans noktalarında ölçüldü. Deney oda sıcaklığında ve basıncında yapıldı. Çizelge deki kapasite değerleri, yapının yığılma durumunda (V g < 0 ) silisyum ve oksit kapasitelerinin seri olmasından çıkartılan değerleridir. Şekil 3.-a daki grafiklerin sol tarafındaki yatay düzlükler yığılma durumu gösterir. Çizelgedeki yapının iletkenlik değerleri ise V g = 0 noktasında ölçülenlerdir. Bu değerler (.),(.) ve (.3) denklemlerinde yerine yazıldıklarında çıkan dielektrik sabitlerinin frekansa bağlı değişimleri çizelge 3. ve şekil 3. de verilmiştir. Çizelge 3.:Çalışmada kullanılan silisyum ve SiO tabakalarının kapasitelerinin ölçülen frekanslardaki değerleri Frekans (khz) Si kap.x0 - f.,88,88,88,80,80,69,33,39,45,37 SiO kap. X0 - f. 3,60 3,60 3,60 3,60 3,60 3,50 3,39 3,0 3,08,88 Yapının,3,5 4,77 8,35 4,0, 53, İletkenliği (µsimens)

4 Çizelge 3.: Ölçümde kullanılan SiO 'nin dielektrik sabitinin gerçek (ε') ve sanal (ε'') kısımlarının volt genlikle uygulanan elektrik alanın ölçülen frekanslarındaki değerleri Frekans (khz) 0 ε' 3,79 3,78 3,78 3,74 3,7 3,56 3,,53,5,50 ε'',90,3,68,86 3,43 3,67 4,68 4,9 3,7,54 C (pf) khz 00 khz 300 khz 500 khz 700 khz 000 khz 000 khz 5000 khz 7000 khz 0000 khz o lt) V (V Şekil 3..a) Yapının farklı frekans noktaları C-V 0 0 k H Z.4 E k H z k H z k H Z. E k H z k H z.0 E G(S) 8. E k H z k H z k H z k H z 6. E E E E Şekil 3..b) Yapının farklı frekans noktalarında G-V grafikleri

5 4 Epsilon' E+00.0E E E E+06.0E+07 Frekans (khz) (a) Epsilon'' 5 4,5 4 3,5 3,5,5 0,5 0 0,0E+00,0E+06 4,0E+06 6,0E+06 8,0E+06,0E+07 Frekans (khz) (b) Şekil 3..Çalışmada kullanılan SiO in a) ve ε ve b) ε değerlerinin frekansa bağlı değişimi

6 Epsilon'/ Epsilon' E+00.0E E E E+06.0E+07 Frekans (khz) Şekil 3.3. Kayıp tanjantının frekansa bağlı değişimi Tartışma ve Sonuçlar Yukarıda sayılan özelliklere sahip SiO 'in kompleks dielektrik sabitinin gerçek ve sanal kısımlarının ölçülen frekanslardaki bulunan değerleri Çizelge 3.'de verilmiştir. ε' önceleri pek fark edilebilir değişiklik göstermeden 300 khz e kadar devam etmektedir. 300 khz'den sonra ε' ölçümün yapıldığı 5000 khz'e kadar hızla düşerek yaklaşık olarak,50 değerini almıştır (Şekil.3.-a). Dielektrik sabitinin düşüşü arayüzeylerde önceden var olan ve arayüzey kutuplanmasına olumlu katkıda bulunan elektrik çift-kutuplarının alanı izleyememesinin bir sonucudur. Fakat bu elektrik çift-kutupları yaklaşık 300 khz'den sonra etkisi altında bulundukları kuvvetlerle eş zamanlı değişememektedir. Bunun sonucu dielektrik kayıplar oluşur. Kayıp tanjantının frekans ile değişimi grafiği Şekil 3.3 de verilmiştir. Yönelim kutuplanması, etkisini saniyede 0 6 mertebesindeki değişimlere kadar sürdürebildiği bilinmektedir. Ölçümlerde ise 300 khz noktasına kadar devam etmiştir. Bu noktadan sonra yalnızca etkileşimli kutuplanmanın arayüzey kutuplanmasına katkısı devam etmektedir. Arayüzeydeki yüklerin değişiminde bu frekans değerine kadar herhangi bir kayda değer zaman gecikmesi olmaması, bu yüklerin yapı içerisinde yönelimleri sırasında ortamla fazlaca bir etkileşime girmediği ve enerji kaybına uğramadığı anlamına gelmektedir. Bu durumu sanal kısmın değerinin küçük olması da desteklemektedir. Çünkü ε'' nin büyük olması, dielektrik materyalin söz konusu kutuplanmayı oluşturan yüklerin ortamla önemli ölçüde (viskozluk benzeri) bir etkileşmeye girmeyerek, enerji kaybetmeksizin, uygulanan elektrik alanın değişimlerini düzenli ve hızlı şekilde izleyebilmesinin bir sonucudur. Arayüzey kutuplanması, metal-yarıiletken arayüzeyindeki serbest yüklerin birikmesi ve yalıtkanın içerisindeki sabit yüklerin de uygulanan dış alanın etkisi altında belli bir sıraya girmesidir. Bunun sonucunda dielektriğin yüzeylerinde de bağlı yükler toplanır. Bu kutuplanmanın sonucunda her iki arayüzeyde serbest yükler karşılıklı zıt olarak birikirler. Eğer yarı iletken ile iletken arasında dielektrik malzeme bulunmasa idi yükler birikmeyerek serbest yükler yapının tümünden geçecek ve dolayısıyla arayüzey kutuplanması gerçekleşmeyecekti. Dielektrik malzemenin arada bulunmasıyla bu yük geçişi engellenecektir. Bu iki engelin (dielektriğin iki yanı) bulunması serbest yüklerin zıt olarak bu iki engelde (ayırıcı arayüzeylerde) birikmesine neden olur. Yapıda değişken elektrik alan uygulandığında dielektrik malzeme içerisindeki bağlı yüklerle, giriş bölümünde de değinilen elektronik ve iyonik kutuplanmalar da gerçekleşmektedir. Frekansın daha yukarı ki değerlerine çıkıldığında dielektrik sabitinin gerçek kısmında hızlıca bir düşüş gözlenmektedir. Bu şu anlama gelmektedir; artık arayüzey kutuplanmasına neden olan yükler alan değişimlerine ayak uyduramaz duruma gelmiş ve yönelimlerini, fark edilir bir zaman gecikmesi ile sürdürebilmektedir. Bu arada da sanal kısım ε'' yükselmeye başlamıştır. Gerçek kısmın 300 khz ile 5000 khz arasında düşüşünü sürdürmesi dielektriğin arayüzey kutuplanmasının azalması anlamına gelir. Sanal kısım ise, bu düşüş esnasında, yükselmeye başlamış ve 3000 khz civarında ölçüm sınırları içinde en yüksek değerine ulaşmıştır.

7 Gerçek kısmın düşmesi ile buna bağlı olarak elbette kutuplanmanın büyüklüğü de azalmıştır. Yani birim hacim içindeki alan doğrultusunda dizilen yük sayısında azalma olmuştur. Bu düşüşün 5000 khz 'e kadar devam ettikten sonra durması, kutuplanmanın daha az kütleli kutuplanabilir yüklerle sürdüğü anlamına gelmektedir. İyonik kutuplanma saniyede elektronik kutuplanmanın ise saniyede 0 5 defa değişen elektrik alanında bile etkili olduğu hatırlanacak olursa, dielektrik sabitinin optik değerine ulaşıncaya kadar dielektrik içindeki bağlı yükler, dizilimlerini alanla eş zamanda şekillendireceklerdir. Düşük frekanslarda yönelim kutuplanmasının yanı sıra elektronik ve atomik/iyonik kutuplanmalar da arayüzey kutuplanmasına olumlu katkıda bulunurlar. Saniyede 0 6 mertebesinden daha hızlı değişen alanlarda ise yönelme kutuplanmasının dielektriğin her iki yüzeyin karşısında serbest yüklerin toplanmasına olumlu etkisi ortadan kalkmaktadır. İlgili çizelge ve grafiklerden iletkenliğin (G) sürekli bir yükselme izlediği görülmektedir. Aynı zamanda herhangi bir materyalin iletkenliğinin artması kutuplanmanın tanımı gereği birim hacimdeki bağlı yüklerin sayısının toplam yüklere göre azalması anlamına gelmektedir. Dolayısıyla birim hacimde dizilen çift-kutup momentlerin sayısı azalır.çünkü alan uygulandığında bağlı yüklerin alan yönünde materyal içerisinde bir baştan bir başa yol almayıp yalnızca zıt işaretli yük merkezlerinin mikroskobik boyutta göreceli yer değiştirip ayrılması gerekir. Böylelikle elektriksel kutuplanma oluşur. Sonuçta alana bağlı olarak negatif yük merkezleri bir yönde toplanırlar. Bunun yanı sıra kullanılan yapıda SiO tabakası üzerinde ideal durumda herhangi bir yük akışı gerçekleşmemesi gerekir. Yani bu, silisyum ve silisyum dioksit arayüzeyinde hiç bir arayüzey (boşluk) yükünün akmamasını ön görür. Fakat genellikle gerçekte MOS yapılarında büyütme teknolojisinden ötürü silisyum katmanının zarar görmesi, arayüzey karşılaşmaları, iş fonksiyonları arası farklılık ve arayüzeydeki atomların bağlantı tiplerinden kaynaklanan örgü kusurlarından bu birleşme yüzeyi yakınında bir takım yükler oluşmaktadır. Bunları şu şekilde sınıflandırılabilir: i)hareketli iyonik yükler, ii)yalıtkan içinde arayüzey yakınındaki sabit yük ve iii)arayüzeyde tuzaktanmış elektronik yük (Hahn B. R.,988). Elde edilen deneysel değerlerden şu sonuçlar çıkartılmıştır: a)yapıda oluşan arayüzey kutuplanmasını, diğer kutuplanma mekanizmalarından çok farklı olmayıp özellikle yönelim ve iyonik kutuplanmaların büyük katkısı neticesinde olmuştur. b) SiO yapısı polar materyal olmamasına karşın yarı iletken birleşme yüzeyi yakınında içerlerdeki kovalent bağ durumu daha çok iyonik bağ özelliği öne çıkmaktadır. c) Bu bağ durumu molekülün iyonikliğinin Si ve O atomlarının elektronegatifliği ile ilişkili olmasından ötürüdür. Oksijenin elektronegatifliğinin (-3,44) silisyumunkinden (-,9) mutlak değerce büyük olması arayüzeydeki elektronların oksijen tarafına kaymasına sebep olmuştur. Elektronegatiflik; kovalent bağda paylaşılan bir elektron çifti yoğunluğunun bağı oluşturan atomlarca çekilmesinin bir ölçüsüdür. d) SiO yapısı içinde oluşan dielektrik kayıpların materyalin iletkenliği ile doğru orantı şeklinde ilişkili olduğu sonucuna varılmıştır. Çünkü iletkenlik arttıkça kayıplar da büyümektedir. e)arayüzeylerde oluşan bu çift-kutuplar, silisyum tabakası üzerine oksit kaplanması süreci ile yakından ilgilidir. f)sanal kısmın pike ulaştığı frekansta da ( 5000 khz) gerçek kısım 300 khz den beri süregelen düşüşü sona ermiş ve ölçümün sonuna kadar bir düzlük oluşturan bir seyir izlemiştir. g) MOS yapısındaki söz konusu yalıtkan tabakanın dielektrik parametreinin gerçek ve sanal kısımlarının 00 khz - 0 MHz arasındaki değişimini Maxwell - Wagner kapasitesi gibi değerlendirerek bulunabileceği, h)kayıp açısının (arctan=ε ıı /ε ı ), frekansa göre yarı çember benzeri bir değişim izlediği ve yine G/ω oranı ile doğrudan orantılı olduğu, i)gerekli kapasite-iletkenlik ölçümlerinin alınmasında HP 49 A (35 Hz-3 MHz) empedansmetre cihazının kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Kaynaklar ÇELİK Ömer 'Değişik Gerilim Uyguluyarak Elde Edilen Si/Anodik Oksit/Al Yapılarının Arayüzey Durum Yoğunluklarının Araştırılması Çalışmaları' adlı Master Tezi Dicle Üni.,998 HAHN, B.R. and YOON, D.Y., 989, Electrical and Interfacial Properties Of Metal-Polyamide-Silicon Structure, Journal Of Applied Physics, 65(7) KONOFAOS N., McCLEAN J.P. and THOMAS C.B. 997, Characterization of The Interface States Between Amorphous Diamond Like Carbon Films (00) Silicon, Phys. Solid State Statius (a) 6,-3. POPESCU M., ION Bunget., 984, Physics Of Dielectrics, Elsevier, 443 s.

8 UREN M.J.,978, Observation of /f-noise states in Conductance Measurements on MOS Structure,C. R. HELMS The Physics and Chemistry of SiO and The Si-SiO Interface, Plenum Press, s

9