氮化鉬與氮化鈦堆疊之高功函數堆疊式金屬閘極金氧半元件電性研究

Electrical Characteristics of MOS Devices with Stacked MoN and TiN High Work Function Metal Gates

呂學岳(Hsueh-Yueh Lu)

指導教授 ： 張廖貴術

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2008年)

摘要

為了持續元件微縮並提高元件效能，許多新穎的研究成果已被發表出來，其中，高功函數金屬閘極的研究相當引人注目。本研究提出兩種以MoN為主，搭配TiN薄膜的堆疊式金屬閘極，分別為TM_0與TMT_100閘極，從實驗結果發現，其功函數均較單層MoN閘極高，並在多項電特性表現上較MoN單層閘極優良。對TM_0與TMT_100閘極施以不同的退火溫度，深入探討閘極的熱穩定性與元件可靠性，根據實驗結果發現，TM_0經過PMA 950oC後，在可靠性方面的表現最佳。兩種gate stack的功函數熱穩定性均較單層MoN好。
本研究中第三種gate stack為TMT_20，調變閘極底層TiN為2nm的結果，大幅提升了三層式閘極在高溫的可靠度與元件熱穩定性。
本研究將三種以MoN及TiN為主，不同結構的金屬閘極與high-k介電層HfAlO整合應用。發現TM_0閘極在多項電特性上的表現均最優，且其在HfAlO上的可靠性較其在SiO2上更優。最後，本研究將TM_0搭配以ALD沉積不同濃度的HfAlO介電層做整合。發現最佳化的HfAlO介電層濃度為Hf13.24Al18.11O68.65，其有效功函數為5.00eV。比較TM_0閘極在以MOCVD與ALD沉積之HfAlO介電層上的特性，發現ALD formed Hf13.24Al18.11O68.65介電層展現了與TM_0閘極最佳化的元件電特性，以及優秀的high-k & metal gate整合效果。

關鍵字

金屬閘極 ； 氮化鉬

並列摘要

無資料

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HASH(0x1bb6e610) ； HASH(0x1bb6e6b0)

參考文獻

[30] Po-Yen. Chien, “Integration of electrical characteristics for MOS devices with Molybdenum metal gate”, thesis in the Department of Engineering and System Science NTHU, 2007

[55]莊惠淇，“利用閘堆疊式介電層及界面工程加強金氧半元件電性之研究”，國立清華大學工程與系統科學系，2007

[1] M. S. Krishinan, et al., IEDM, p. 571, 1998

[2] You-Seok Suh et al., “Electrical Characteristics of TaSixNy Gate Electrodes For Dual Gate Si-CMOS Devices,” Symposium on VLSl Technology Digest of Technical Papers, p.47, 2001

[3] Stefan De Gendt, IEDM Short Course, IMEC., 2004