Yb2O3/SiO2 yığın kapı oksit tabakasının MOS tabanlı radyasyon sensörlerinde duyar bölge olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, Yb2O3 ile n-Si arasına konulacak SiO2 katmanın arayüzey kalitesine etkisi ve Yb2O3/SiO2 yığın kapı oksit tabakasının MOS tabanlı radyasyon sensörlerinde duyar bölge olarak kullanılabilirliği araştırıldı. 20 ve 36 nm kalınlıklarında SiO2 tabaka termal oksidasyon ile n-Si alttaşlar üzerine büyütüldü. Yb2O3 filmlerinin kaplanmasında EBPVD sistemi kullanıldı. Yb2O3/SiO2/Si yapıları azot ortamında beş farklı sıcaklıkta tavlandı. Poli-kristal yapıya sahip Yb2O3 filmlerinin kübik fazda olduğu bulundu. Al/Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al ve Al/Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al MOS kapasitörlerinin ışınlama öncesi-sonrası elektriksel karakteristikleri 50 kHz ile 1000 kHz arasında değişen altı farklı frekansta ölçüldü. 𝑄𝑒𝑓𝑓, 𝜀𝑘, 𝑁𝑖𝑡 değerleri hesaplandı. En iyi elektriksel karakteristiğe sahip Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al ve Al/200 °C-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al kapasitörlerinin radyasyon cevapları 60Co kaynağı kullanılarak 1 – 500 Gy doz aralığında 100 kHz ve 1 MHz' de incelendi. Artan doz ile birlikte Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al ve Al/200 °C-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al kapasitörlerinin C – V eğrileri her iki frekans için de sırasıyla sola ve sağa doğru kaydı. Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al kapasitöründe çalışılan doz aralığında 𝛥𝑁𝑖𝑡, 𝛥𝑁𝑜𝑥 ile benzer düzeyde kaldığı için aygıtın radyasyon cevabında bozulmalar meydana geldi. Al/RT-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al kapasitöründe radyasyon dozuyla birlikte 𝛥𝑁𝑖𝑡' de büyük değişimler gözlenmezken 𝛥𝑁𝑜𝑥 sürekli olarak arttı. Araştırma sonucunda SiO2 tabaka ile arayüzey kalitesinin geliştiği belirlenirken ileri çalışmalarda negatif yük tuzaklanmasına yol açan kusur merkezlerinin yoğunluğunun azaltılması gerekliliği vurgulandı.

In this study, effect of the SiO2 layer to be deposited between Yb2O3 and n-Si on the interface quality, and the usability of the Yb2O3/SiO2 stack gate oxide layer as a sensitive region in MOS-based radiation sensors were investigated. 20 and 36 nm thick-SiO2 layers were grown on the n-Si substrates by thermal oxidation. EBPVD system was used for coating Yb2O3 films. Yb2O3/SiO2/Si structures were annealed at five different temperatures in nitrogen environment. Polycrystalline Yb2O3 films were found to be in the cubic phase. The pre/post-irradiation electrical characteristics of Al/Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al and Al/Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al MOS capacitors were measured at six different frequencies ranging from 50 kHz to 1000 kHz. The 𝑄𝑒𝑓𝑓, 𝜀𝑘, 𝑁𝑖𝑡 values were calculated. The radiation responses of Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al and Al/200 °C-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al capacitors with the best electrical characteristics were analyzed at 100 kHz and 1 MHz in the 1 – 500 Gy dose range using 60Co source. C-V curves of the Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al and Al/200 °C-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al capacitors for both frequencies shifted with increasing dose to left and right, respectively. In Al/RT-Yb2O3/SiO2(20nm)/n-Si/Al capacitor, degradation occurred in the radiation response of the device as 𝛥𝑁𝑖𝑡 remained at the same level as 𝛥𝑁𝑜𝑥 in the studied dose range. In Al/200 °C-Yb2O3/SiO2(36nm)/n-Si/Al capacitor, 𝛥𝑁𝑜𝑥 was constantly increasing, while major changes in 𝛥𝑁𝑖𝑡 was not observed with radiation dose. As a result of the research, it was determined that the interface quality improved with SiO2 layer, and it was emphasized that density of the.