vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2018-54-1-119-126vestifm-305Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ОКИСЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ МОП-КОНДЕНСАТОРОВ С НАНОКРИСТАЛЛАМИ GeTHERMAL OXIDATION EFFECT ON ELECTRICAL PROPERTIES OF MOS CAPACITORS WITH EMBEDDED Ge NANOCRYSTALSНовиковА. Г.NovikauA. G.

старший преподаватель кафедры физической электроники и нанотехнологий, факультет радиофизики и компьютерных технологий

Senior Lecturer of the Physical Electronics and Nanotechnology Department, Faculty of Radiophysics and Computer Science

novikaua@bsu.byНаливайкоО. Ю.NalivaikoO. Yu.

заместитель главного технолога, холдинг «Интеграл»

Deputy Chief of Technology, Holding Company “Integral”

ГайдукП. И.GaidukP. I.

доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий, факультет радиофизики и компьютерных технологий

D. Sc. (Physics and Mathematics), Assistant Professor, Professor of the Physical Electronics and Nanotechnology Department, Faculty of Radiophysics and Computer Science

gaiduk@bsu.byБелорусский государственный университет, МинскБеларусьBelarusian State University, MinskBelarus201805042018541119126Copyright © Новиков А.Г., Наливайко О.Ю., Гайдук П.И., 20182018Новиков А.Г., Наливайко О.Ю., Гайдук П.И.Novikau A.G., Nalivaiko O.Y., Gaiduk P.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/305

Проведены исследования структуры и электрофизических характеристик МОП-конденсаторов, сформированных путем термического окисления в различных режимах тонких слоев SiGe сплавов на туннельном диэлектрике. Методом просвечивающей электронной микроскопии показано формирование нанокристаллов Ge и обнаружено влияние режимов окисления на структуру слоев SiO2 . С помощью измерений высокочастотных вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик изучены электрические свойства МОП-структур и показано, что они обладают гистерезисом вольт-фарадных характеристик, а его величина существенно зависит от режима и атмосферы термообработок. Качество сформированных МОП-структур улучшается при использовании окисления в сухом кислороде с учетом оптимальной длительности окисления пленки SiGe, что подтверждается данными вольт-амперных характеристик. Полученные результаты обсуждаются с учетом возможного механизма удаления Ge из слоя SiO2 за счет низкотемпературного испарения монооксида германия (GeO).

A 2D layer of spherical, crystalline Ge nanodots embedded in a SiO2 layer was formed by low pressure chemical vapor deposition combined with furnace oxidation and rapid thermal annealing. The samples were characterized structurally by using transmission electron microscopy in plan-view and cross-section geometries. It was found that the formation of highdensity Ge dots took place due to oxidation induced by the Ge segregation. Electrical properties were controlled by measuring C–V and I–V characteristics after the formation of MOS capacitors in different oxidation conditions and the ambient medium. A strong evidence of the charge storage effect on the crystalline Ge-nanodot layer was demonstrated by the hysteresis behavior of the high-frequency C–V curves. It is shown that dry oxidation followed by its reduction increases the hysteresis value compared to wet oxidation conditions. This hysteresis behavior is discussed taking into account the decrease in the Ge concentration and a possible effect of low temperature GeO evaporation is followed by wet oxidation.

 

МОП-конденсаторынанокристаллы Geтермическое окислениесплав SiGenonvolatile memorynanocrystalsthermal oxidationИсследования проводились при финансовой поддержке Белорусского республиканского фон-да фундаментальных исследований в рамках проекта БРФФИ-РФФИ № Т16Р-167, а также ГПНИ «Фотоника, опто- и микроэлектроника» (задание № 3.2.03.01)We would like to acknowledge support from the Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research (Project No. T16P-167) and the Belarusian Scientific Research Program “Photonics, Optics- and Microelectronics” (Project No. 3.2.03.01)ReferencesStructural and electrical properties of silicon dioxide layers with embedded germanium nanocrystals grown by molecular beam epitaxy / A. Kanjilal [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 82, № 8. – P. 1212–1214.Kanjilal A., Lundsgaard Hansen J., Gaiduk P., Nylandsted Larsen A., Cherkashin N., Claverie A., Normand P., Kapelanakis E., Skarlatos D., Tsoukalas D. Structural and electrical properties of silicon dioxide layers with embedded germanium nanocrystals grown by molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters, 2003, vol. 82, no. 8, pp. 1212–1214. Doi: 10.1063/1.1555709Chemical vapor deposition of Ge nanocrystals on SiO2 / T. Baron [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 83, № 7. – P. 1444–1446.Baron T., Pelissier B., Perniola L., Mazen F., Hartmann J. M., Rolland G. Chemical vapor deposition of Ge nanocrystals on SiO2. Applied Physics Letters, 2003, vol. 83, no. 7, pp. 1444–1446. Doi: 10.1063/1.1604471Blue photo-and electroluminescence of silicon dioxide layers ion-implanted with group IV elements / L. Rebohle [et al.] // Appl. Phys. B. – 2000. – Vol. 71, №2. – P. 131–151.Rebohle L., Von Borany J., Fröb, H., Skorupa W. Blue photo-and electroluminescence of silicon dioxide layers ion-implanted with group IV elements. Applied Physics B, 2000, vol. 71, no. 2, pp. 131–151. Doi: 10.1007/pl00006966Effect of annealing environment on the memory properties of thin oxides with embedded Si nanocrystals obtained by low-energy ion-beam synthesis / P. Normand [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 83, № 1. – P. 168–170.Normand P., Kapetanakis E., Dimitrakis P., and Tsoukalas D. Effect of annealing environment on the memory properties of thin oxides with embedded Si nanocrystals obtained by low-energy ion-beam synthesis. Applied Physics Lettetrs, 2003, vol. 83, no. 1, pp. 168–170. Doi: 10.1063/1.1588378Effects of Ge concentration on SiGe oxidation behavior / H. K. Liou [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 1991. – Vol. 59, № 10. – P. 1200.Liou H. K., Mei P., Gennser U., Yang E. S. Effects of Ge concentration on SiGe oxidation behavior. Applied Physics Letters, 1991, vol. 59, no. 10, pp. 1200–1202. Doi:10.1063/1.105502Oxidation rate enhancement of SiGe epitaxial films oxidized in dry ambient / M. Spadafora [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 83, № 18. – P. 3713-3715.Spadafora M., Privitera G., Terrasi A., Scalese S., Bongiorno C., Carnera A., Di Marino M., Napolitani E. Oxidation rate enhancement of SiGe epitaxial films oxidized in dry ambient. Applied Physics Letters, 2003, vol. 83, no 18, pp. 3713-3715. Doi: 10.1063/1.1622439Choi, W. K. Rapid thermal oxidation of radio frequency sputtered polycrystalline silicon germanium films / W. K. Choi,Choi W. K., Natarajan A., Bera L. K., Wee A. T. S., Liu Y. J. Rapid thermal oxidation of radio frequency sputtered polycrystalline silicon germanium films. Journal of Applied Physics, 2002, vol. 91, no. 4, pp. 2443–2448. Doi: 10.1063/1.1431435A. Natarajan, L. K. Bera // J. Appl. Phys. – 2002. – Vol. 91, № 4. – P. 2443–2448.Novikau A. G., Ratkevich S. V., Gaiduk P. I., Komarov F. F. Oxidation induced Ge segregation in SiGe alloys. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2009, vol. 53, no. 2, pp. 52– 56 (in Russian).Сегрегация Ge в SiGe сплавах при окислении / А. Г. Новиков [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2009. – Т. 53, № 2. – С. 52–56.Novikau A., Gaiduk P. Germanium segregation in CVD grown SiGe layers. Open Physics, 2010, vol. 8, no. 1, pp. 57–60. Doi: 10.2478/s11534-009-0082-0Novikau, A. Germanium segregation in CVD grown SiGe layers / A. Novikau, P. Gaiduk // Open Physics. – 2010. – Vol. 8, № 1. – P. 57–60.Sze S. M. Physics of semiconductor devices. New York, John Wiley & Sons, 1969. 812 p.Зи, C. Физика полупроводниковых приборов: в 2 кн.: пер. с англ. / С. Зи. – М.: Мир, 1984. – 2 кн.Samsonov G. V. Physical chemistry properties of oxides. Мoscow, Metallurgiya Publ., 1978. 472 p. (in Russian).Самсонов, Г. В. Физико-химические свойства окислов / Г. В. Самсонов. – М.: Металлургия, 1978. – 472 с.Shklyaev A. A., Ichikawa M. Visible photoluminescence of Ge dots embedded in Si/SiO2 matrices. Applied Physics Letters, 2002, vol. 80, no. 8, pp. 1432–1434. Doi: 10.1063/1.1451986Shklyaev, A. A. Visible photoluminescence of Ge dots embedded in Si/SiO2 matrices / A. A. Shklyaev, M. Ichikawa // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol. 80, № 8. – P. 1432–1434.Gaiduk A. P., Larsen A. N., Sheval’e Zh., Gaiduk P. I. Decomposition of supersaturated SiO2(Ge) alloys after thermal annealing. Perspektivnye Materialy, 2007, no 2, pp. 29–35 (in Russian).Гайдук, А. П. Распад пересыщенных сплавов SiO2(Ge) при термической обработке / А. П. Гайдук [и др.] // Перспективные материалы. – 2007. – № 2. – С. 29–35.Antonova I. V., Gulyaev M. B., Yanovitskaya Z. Sh., Volodin V. A., Marin D. V., Efremov M. D., Goldstein Y., Jedrzejewski J. Electrical properties and photoluminescence of SiOx layers with Si nanocrystals in relation to the SiOx composition. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 10, pp. 1198–1203. Doi: 10.1134/s1063782606100137Сопоставление электрических свойств и фотолюминесценции в зависимости от состава слоев SiOx, содержащих нанокристаллы кремния / И. В. Антонова [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2006. – Т. 40, вып. 10. – С. 1229–1235.Assaf H., Ntsoenzok E., Ruault М. О., Kaitasov О. Novel low-k dielectric obtained by Xenon implantation in SiO2. Solid State Phenomena, 2005, vol. 108–109, pp. 291–296. Doi: 10.4028/www.scientific.net/ssp.108-109.291Novel low-k dielectric obtained by Xenon implantation in SiO2 / H. Assaf [et al.] // Solid State Phenomena. – 2005. – № 291. – P. 108–109.Novel low-k dielectric obtained by Xenon implantation in SiO2 / H. Assaf [et al.] // Solid State Phenomena. – 2005. – № 291. – P. 108–109.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.