以高功函數鎢或鉬為主金屬閘極之金氧半元件製程研究

Process Study for MOS Devices with High Work Function Tungsten or Molybdenum Based Metal Gates

呂慈航

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(2013年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2013.00466

摘要

為了改善MOSFET的性能，元件的尺寸被要求越來越小，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。
此論文研究主要分成三部分來探討界面製程對元件電特性之影響：
一、我們直接在堆疊MoN金屬閘極時直接減少其物理厚度，希望可以減少整體元件因為金屬閘極的氧或是汙染物擴散導致電性不良的問題，以達到維持高功函數並且減少EOT的目標。發現到經由我們直接減少金屬閘極物理厚度可以有效達到減少EOT，其EOT均可以有效的壓制到10 Å 左右。並且對於功函數方面並無因為物理厚度減少導致功函數衰減，其功函數一樣可以達到5eV左右。
二、我們一樣使用微縮金屬閘極物理厚度，以達到維持高功函數並且減少EOT的目標，更換高功函數金屬為WHfN堆疊金屬閘極，應用於電晶體製程上。我們直接減少金屬閘極物理厚度可以有效達到減少EOT，其EOT均可以有效的壓制到15 Å 左右。並對功函數方面一樣可以維持高功函數元件特性，其功函數最高可以到達5.3eV。
三、我們在介電層與金屬閘極中間插入ALD 堆疊的阻擋層，希望藉由ALD堆疊出來較緻密的薄膜特性，可以阻擋氧或是汙染物的擴散，採用兩種不同的阻擋層，探討阻擋層的插入與改變。當插入阻擋層時，對元件的EOT影響較大，觀察到插阻擋層使EOT增加，其原因為金屬閘極氧含量高而且阻擋層的氧含量也較高，導致我們堆疊的阻擋層氧化為介電質。插入Insert Layer時功函數下降，主要原因為插入了較低功函數的材料在Metal gate/High-K之間。

關鍵字

metal gate ； MOS ； high work function

參考文獻

[29] 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

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

[3] C. Hobbs, et al., IEEE Elec. Dev. Lett., vol.51(6), p.978, 2004.

[4] Seiichiro KAWAMURA, IEEE Custom Integrated Circuits Conference, p.467, 2002.

[6] H. Zhong, et al., Appl. Phys. Lett., vol.78, p.1134, 2001.