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Type: TESE DIGITAL
Title: Metal gate work function engineering for future CMOS technology nodes = Engenharia da função trabalho de eletrodo de porta metálicos para futuros nós tecnológicos da tecnologia CMOS
Title Alternative: Engenharia da função trabalho de eletrodo de porta metálicos para futuros nós tecnológicos da tecnologia CMOS
Author: Lima, Lucas Petersen Barbosa, 1986-
Advisor: Diniz, José Alexandre, 1964-
Abstract: Resumo: Para melhorar o desempenho dos dispositivos CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) com nós tecnológicos inferiores a 100 nm, dielétricos com alta constante dielétrica k (high-k ou alto-k) foram introduzidos. Eletrodos de porta tradicionais baseados em poli-Si não são compatíveis com dielétricos com alto-k e, portanto, a sua substituição é necessária para continuar o escalamento dos dispositivos CMOS. Eletrodos metálicos têm sido empregados em estruturas de porta de dispositivos tradicionais MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) planares, juntamente com dielétricos de alto-k. Filmes de nitreto de titânio (TiN) são utilizados como eletrodos de porta em dispositivos com tecnologia inferior à 65 nm. Valores da função trabalho eficaz (EWF) de filmes de TiN têm sido reportados como adequados para a tecnologia CMOS. Filmes com função trabalho eficaz com valores entre 4,15 eV e 4,45 eV são apropriados para aplicações em dispositivos nMOS, enquanto materiais com valores de EWF entre 4,95 eV e 5,15 eV são adequados para aplicações em dispositivos pMOS. Os valores de EWF estão relacionados com a composição do filme e variações de dipolo na interface entre a camada de TiN e o dielétrico. Neste trabalho, os filmes de TiN foram utilizados em dispositivos MOS, planares e FinFET (fin field effect transistor). Dois métodos de deposição foram utilizados para obtenção dos filmes de TiN: PVD (physical vapor deposition) e ALD (atomic layer deposition). Filme de TiN depositados por PVD podem apresentar valores de função trabalho adequados para dispositivos nMOS e pMOS. Infelizmente, filmes conformais em estruturas FinFET tri-dimensionais, que é a tecnologia escolhida para a próxima geração de dispositivos CMOS, não são facilmente obtidos através de processos PVD. Por outro lado, processos ALD fornecem a conformalidade desejada, mas filmes de TiN obtidos por ALD apresentam valores de função trabalho compatíveis somente com dispositivos pMOS. Contudo, valores mais baixos de EWF podem ser obtidos misturando Al com os filmes de TiN. Filmes de TiN com 20 nm de espessura foram obtidos através de PVD, e apresentaram um valor de resistividade elétrica de 324 ??.cm. Resultados da espectroscopia Raman indicam a presença de vacâncias de Ti e N nos filmes de TiN depositados por PVD. Além disso, análises XPS mostram a incorporação de oxigênio na superfície dos filmes de TiN, que está relacionado com a exposição do filme de TiN ao ambiente. A fim de reduzir essa contaminação superficial de oxigênio, uma camada de Al foi depositada in-situ no topo dos filmes de TiN. É importante ressaltar que este filme de Al foi utilizado somente para evitar a oxidação superficial dos filmes de TiN e não para modificação da função trabalho do TiN. Capacitores MOS (com estruturas Al/TiN/SiO2/Si e TiN/SiO2/Si) e diodos Schotkky (com estruturas Al/TiN/Si e TiN/Si) foram fabricados para o estudo das características elétricas dos filmes de TiN. Os valores de fator de idealidade entre 1,0 e 3,1 e EWF entre 4,45 eV e 4,55 eV foram extraídos das estruturas Al/TiN/Si e TiN/Si. Vacâncias de Ti e N presentes nos filmes de TiN afetam os valores extraídos para o fator de idealidade, mas a oxidação superficial dos filmes de TiN também podem influenciar os valores do fator de idealidade. Valores de tensão de banda plana entre -0,18 V e 0,04 V, TiN EWF entre 4,05 eV e 4,35 eV, e densidade de carga efetiva entre -1011 cm-2 e 1012 cm-2, foram extraídos dos capacitores MOS. Mudanças nos valores da tensão de banda plana e função trabalho do TiN estão relacionados principalmente com as variações de dipolo na interface entre TiN e SiO2. Além disso, o estudo sobre o efeito das variações de dipolo (q?SiO2) na interface TiN/SiO2, os valores de EWF extraídos dos capacitores MOS e diodos Schottky, demonstraram que o termo q?SiO2 é principalmente influenciado pela oxidação dos filmes de TiN na interface com o SiO2. Filmes de TiN depositados por ALD apresentam valores de EWF compatíveis com tecnologia pMOS, contudo, o valor da função trabalho pode ser modificada para valores adequados à tecnologia nMOS, através da incorporação de Al nos filmes de TiN. Com isso, filmes de Al, TiAl e AlN foram introduzidos entre os dielétrico de alto-k (HfO2) e eletrodo de TiN (obtido por ALD), para serem utilizados como fonte para à difusão de Al. Os valores de EWF extraídos dos capacitores MOS com filmes de TiN depositados por ALD, demonstraram uma diminuição de até 1,09 eV no valor da função trabalho efetiva do TiN quando uma camada de TiAl foi utilizada como fonte para a difusão de Al. Além do mais, reduções de 0,26 eV e 0,45 eV foram observadas nos valores de EWF do TiN para estruturas de AlN/TiN. Além disso, os valores de função trabalho efetiva extraídos para os filmes de TiN são adequados para tecnologia pMOS, mid-gap e nMOS, e a difusão de Al é um método promissor para o ajuste da função trabalho do TiN. Contudo, a caracterização elétrica dos dispositivos FinFET demonstraram que os filmes de TiN utilizados neste trabalho são compatíveis e adequados para a tecnologia CMOS. Além disso, este trabalho contém o desenvolvimento e fabricação do primeiro dispositivo FinFET no Brasil. Estes dispositivos foram fabricados com a estrutura de porta Al/TiN/SiO2/Si, e as características elétricas destes dispositivos demonstraram que a estrutura Al/TiN é apropriada para aplicações da tecnologia nMOS

Abstract: To improve the performance of CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) devices with technology nodes below 100 nm, high-k dielectrics had to be introduced. However, traditional poly-Si based gate electrodes are not compatible with high-k dielectrics and therefore also their replacement is required to continue the scaling of CMOS devices. Metal based electrodes have been employed on the traditional planar MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) gate structure comprising high-k gate dielectrics. Effective work function values between 4.15 eV and 4.45 eV indicate that the material is appropriate for nMOS applications, while materials with EWF values between 4.95 eV and 5.15 eV are adequate for pMOS applications. Titanium nitride (TiN) films became the material of choice as a gate metal for devices with technology nodes below 65nm. TiN effective work function (EWF) values have been reported to be suitable for CMOS technology. EWF values are related to the film composition and dipole variations at the interface between TiN layer and dielectric. In this work, TiN layers were tested for their suitability for MOS devices for both technology, planar and 3-dimentional transistors, such as FinFET (Fin Field Effect Transistor). Two different deposition methods were used for TiN deposition: physical vapor deposition (PVD) and atomic layer deposition (ALD). PVD TiN films can present EWF values adequate for both nMOS and pMOS. Unfortunately, conformal films on 3-D FinFET structures, which is the technology choice for next generation CMOS scaling, are not easily obtained by PVD processes. ALD provides the desired conformality, but ALD TiN layers have EWF values suitable for pMOS applications only. For ALD TiN, lower EWF values can be achieved by mixing Al with TiN layer. PVD technique was used to obtain 20-nm-thick TiN layers, with electrical resistivity value of 324 ??.cm. Raman spectroscopy results indicated the presence of Ti and N vacancies in PVD TiN layers. Furthermore, XPS results showed oxygen incorporation into the TiN film surface, attributed to exposure of TiN film to ambient air. In order to reduce the oxygen contamination, an Al cap layer was deposited in situ on top of the PVD TiN film. It is important to highlight that in this case the Al layer is used to avoid TiN surface oxidation and not for EWF tuning. MOS capacitors (with TiN/SiO2/Si and Al/TiN/SiO2/Si structures) and Schottky diodes (with TiN/Si and Al/TiN/Si structures) were fabricated to evaluate the electrical characteristics of the PVD TiN. Ideality factors between 1.0 and 3.1, and work function between 4.45 eV and 4.55 eV were extracted from TiN/Si and Al/TiN/Si structures. The spread in ideality factor values is attributed to Ti and N vacancies in the TiN films, but the oxygen incorporation can also influence the ideality factor values. The flat-band voltage, TiN EWF and effective charge density values extracted from MOS capacitors, were found to be between -0.18 and 0.04 V, 4.05 eV and 4.35 eV, and -1011 cm-2 and 1012 cm-2, respectively. Changes in PVD TiN EWF and flat-band voltage values are related mainly to dipole variations at the TiN/SiO2 interface. Furthermore, the investigation of effect of dipole variations (q?SiO2) at the TiN/SiO2 interface, extracted using PVD TiN EWF values from MOS capacitors and Schottky diodes, has demonstrated that the q?SiO2 term is mainly affected by the TiN oxidation at the interface with dielectric. ALD TiN presents pMOS EWF values, its work function values can be tuned by mixing Al into TiN layer; and therefore, nMOS EWF values can also be achieved. With this, titanium aluminum (TiAl), Al and aluminum nitride (AlN) layers were introduced between the high-k (HfO2) dielectric and ALD TiN electrode as Al diffusion sources. The extracted ALD TiN EWF values from MOS capacitors had demonstrated that a decrease of 1.09 eV on TiN EWF can be achieved using TiAl as Al source. Furthermore, a decrease of 0.26 eV and 0.45 eV on ALD TiN EWF were extracted from AlN/TiN structures. Furthermore, the extracted TiN EWF values are suitable for applications on pMOS, nMOS and mid-gap devices, and the Al diffusion is a good method for TiN work function tuning. Moreover, the electrical characterization of FinFET devices had demonstrated that the obtained TiN layers are suitable for CMOS technology. Also, this work contains the development and fabrication of the first FinFET device in Brazil. These devices were fabricated with with Al/TiN/SiO2/Si as gate structure and the electrical performance of these transistors demonstrated that Al/TiN stack is suitable for nMOS applications
Subject: Nitreto de titânio
Transistores de efeito de campo
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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