堆疊式高介電層與金屬閘極之金氧半元件電性研究

Electrical Characteristics of MOS Devices with High-K Dielectric and Metal Gate Stacks

傅崇豪 ； 張廖貴術 ； 王義文 ； 簡伯諺 ； 吳文發

《國家奈米元件實驗室奈米通訊》 16卷1期 (2009/03) Pp. 18-24

https://doi.org/10.29913/NDLC.200903.0004

摘要

高介電層和金屬閘極是金氧半元件技術開發的關鍵議題，本研究以堆疊式高介電層和堆疊式金屬閘極來改善金氧半元件電特性。在第一部分的實驗結果發現，適當的堆疊式高介電層結構可以提昇金氧半元件電特性和可靠度，Al有必要遠離矽界面以減輕電荷陷阱現象。在第二部分，研究在MoN上下方分別插入TiN層之金屬閘極及改變金屬沉積後退火溫度。實驗結果顯示堆疊式金屬閘極MoN/TiN雖然功函數些許下降，但在漏電流、及可靠度等皆有較好的特性。因此MoN/TiN金屬閘極很有潛力應用在未來p型通道金氧半元件。

關鍵字

堆疊式高介電層 ； 氧化鋁鉿 ； 矽酸鉿氧化合物 ； 金屬閘極 ； 高功函數 ； 氮化鉬 ； 氮化鈦

並列摘要

High-K dielectrics and metal gates are the key issues for MOS devices. In this study, electrical characteristics of MOS devices are improved by High-K gate dielectric and metal gate stacks. In the first part, experimental results show that electrical characteristics and reliability of MOS devices can be enhanced by proper High-K gate dielectric stacks. Al in HfAlO should be away from Si surface to reduce the effects of charge trapping. In the second part, the influences of MoN metal gate with TiN layer above or below and various post metal annealing (PMA) treatments were studied. Experimental results show that metal gate stack with TiN under MoN film (i.e., MoN⁄TiN sample) exhibits better electrical characteristics on gate leakage current, stress-induced flat-band voltage shift, and stress- induced leakage current and thermal stability despite a little lower work function. Thus MoN⁄TiN metal gate is promising for p-channel MOS device applications.

並列關鍵字

High-K Dielectric Stack ； HfAlO ； HfSiO ； Metal Gate ； High Work Function ； MoN ； TiN