towards electrical performances improvement of epitaxial caf2 on si(111) via sf6 plasma annealing

In the present master thesis, the effects of a SF6 plasma annealing on the electrical performances of epitaxial CaF2 on Si(111), with possible improvement on the insulating properties, have been investigated. The good electrical performances are essential for the implementation of the CaF2 as a gate dielectric in two dimensional MX2 based transistors. Initially, the morphology and electrical properties (leakage J-V) of epitaxial CaF2 grown on Si(111) substrate at four different temperatures have been studied. The results showed the presence of a morphology strictly dependent on the temperature and a leaky structure from the electrical point of view, due the presence of defects, such as F vacancies, inside the dielectric. The SF6 plasma annealing has been carried out in order to reduce the leakage current through thin film CaF2. Different plasma power (600 W and 900 W) and different substrate temperatures (150 °C and 350 °C) have been used. The treated CaF2 layer has been studied again from the morphological point of view, through AFM. The focus has been moved on the CaF2 film grown at low temperature (250 °C), which was the one showing reduced roughness and not showing any type of degradation in the surface. The electrical properties exhibited improvements in term of reduction of leakage current, with the condition carried out at a plasma power of 600 W showing the best results. Additional physical characterization (RHEED and XRR) confirmed the good quality of the CaF2 layer. The explanation of the improved electrical properties has been later on determined through chemical characterization, in term of XPS and ToFSIMS. The results showed incorporation of Sulfur and formation of Ca-S bonds, due to the filling of the F vacancies by the the S atoms. As in the case of the electrical properties, a dependence of the sulfur incorporation on the plasma annealing condition has been found, where an higher plasma power and an higher substrate temperature enhances the Sulfur content.

Nella presente tesi di laurea, gli effetti di un trattamento al plasma con SF6 sulle prestazioni elettriche di CaF2 epitassiale, con un possibile miglioramento delle proprietà isolanti, sono stati investigati. Le buone prestazioni elettriche sono essenziali per l’implementazione del CaF2 come materiale dielettrico per gate in transistor basati sull’utilizzo di materiali bidimensionali come canale di conduzione. Inizialmente, la morfologia e le proprietà elettriche (J-V) del CaF2 cresciuto epitassialmente su Si a quattro diverse temperature, sono state studiate. I risultati hanno mostrato la presenza di una morfologia strettamente dipendente dalla temperatura e una struttura non perfettamente isolante, dovuta alla presenza di difetti, come le vacanze di F, all’interno del dielettrico. Il trattamento al plasma con SF6 è stato effettuato per ridurre la corrente attraverso il CaF2. Diverse potenze del plasma (600 W e 900 W) e diverse temperature del substrato (150 °C e 350 °C) sono state sfruttate. Il CaF2 trattato è stato studiato nuovamente dal punto di vista morfologico, mediante AFM. L’analisi si è successivamente incentrata sul CaF2 cresciuto a bassa temperatura (250 °C), che è quello che ha mostrato una rugosità ridotta e non ha presentato alcun tipo di degradazione sulla superficie. Le proprietà elettriche hanno mostrato miglioramenti in termini di riduzione della corrente, con la condizione realizzata usando una potenza del plasma di 600 W che ha mostrato i risultati migliori. Ulteriori caratterizzazioni fisiche (RHEED e XRR) hanno confermato la buona qualità del CaF2. La spiegazione del miglioramento delle proprietà elettriche è stata successivamente determinata attraverso la caratterizzazione chimica, in termini di XPS e ToFSIMS. I risultati hanno mostrato l’incorporazione di zolfo e la formazione di legami Ca-S, dovuti al riempimento delle vacanze di F da parte degli atomi di S. Come nel caso delle proprietà elettriche, è stata riscontrata una dipendenza dell’incorporazione di zolfo dalle condizioni del trattamento al plasma, dove una maggiore potenza del plasma e una piu elevata temperatura del substrato producono un aumento del contenuto di zolfo.