亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi出版公司 872494年 10.1155 / 2012/872494 872494年 研究文章 High-k /金属栅pMOSFET的可靠性的提高与各种PMA设备条件 杨 Yi-Lin 1 张 麒 2 程 Chi-Yun 2 叶 Wen-kuan 2 李 Kuan-Wei 1 国立高雄师范大学电子工程系,824年高雄 台湾 nknu.edu.tw 2 国立大学电机工程系,高雄,高雄824 台湾 nuk.edu.tw 2012年 13 6 2012年 2012年 09年 03 2012年 23 04 2012年 26 04 2012年 2012年 版权©2012杨Yi-Lin et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

结果显示氧和氮扩散通过锡层high-k /金属门在PMA设备。氧和氮氧化退火将降低栅泄漏电流不增加厚度。阈值电压的设备与各种PMA条件改变。设备的可靠性,特别是氧气退火设备,改善了PMA后治疗。

 1。介绍

High-k /金属盖茨需要连续设备缩小规模。然而,阈值电压不稳定和性能退化是重要问题为high-k设备( 1]。门堆栈的接口中缺陷密度是负偏压温度不稳定性的主要原因(NBTI)以及迁移率退化 1]。氧空位是扮演着一个重要的角色在阈值电压变化( 2)和高频振荡器是一个重大缺陷2/ Si系统( 3]。电荷的影响氧气空位就引入了一个偶极子抵消门金属和衬底之间的( 4]。

后金属化退火(PMA)是用来降低界面的缺陷,如氧化固定费用,氧化物被指控,和接口费用( 5]。以前的工作表明,氧气空位可以钝化设备与高贵的金属栅氧扩散通过门( 6]。然而,这些患有高氧化等效厚度。在这项工作中,我们表明,氧和氮可以通过薄扩散锡氧化层和钝化氧气空缺不增加厚度用PMA各种温度。负偏压pFET不稳定是改善,特别是对氧气退火。

 2。实验

28纳米场效应晶体管high-k /金属门上形成批量Si。后界面SiO2层/ high-k和沉积锡、锡层是沉积的厚度100 ~ 200 A。high-k金属门最后设备的制造工艺是描绘在图 1。有些样品退火在400°C和450°C在氧或氮环境几分钟,分别。

的制造过程high-k金属门最后的设备。

capacitance-voltage ( C - - - - - - V )曲线测量HP4280精密电感电容电阻测量计和电流电压( 我 - - - - - - V 以hp - 4156 b)曲线。基本电气测量后,样品被强调通过使用恒压 V 压力 = V t - - - - - - 1 。再次强调后,样品测定,发现性能的可靠性。

 3所示。结果和讨论

图 2显示了 C - - - - - - V 曲线的样品测量1 MHz。所有样品的提取测试结束大约是13。合并后的 C - - - - - - V 对所有样本曲线在低电压显示,没有额外的氧化层厚度增长甚至在450°C PMA O2环境。图 3显示了 我 G - - - - - - V G 所有样本曲线。它可以发现不PMA的示例显示了一个巨大的栅漏电流比其他样本。另一方面,栅漏电流降低了PMA后在所有条件。栅漏电流的减少是由于缺陷钝化high-k / Si接口( 7]。

的 C - - - - - - V 曲线与V神奇动物规范化。

的 我 G - - - - - - V G 治疗各种PMA曲线为样本。

图 4显示了 我 G - - - - - - V G 治疗各种PMA曲线为样本。它可以观察到,设备没有退火给出最消极的阈值电压由于带电氧空位的存在,和阈值电压变化positiveward PMA治疗后。两个阈值电压相似与不同退火温度对nitrogen-annealed设备。另一方面,oxygen-annealed器件的阈值电压变化量是强烈依赖于退火温度。阈值电压的积极的转变可能是由于氧空位在界面层的钝化(IL)地区 6]。氧和氮都可以通过锡地区渗透,达到IL地区尽管常用锡扩散障碍。这一现象提出降低阈值电压pMOSFET的高性能应用程序。

的 我 D - - - - - - V G 治疗各种PMA曲线为样本。

图 5显示了 我 D - - - - - - V D 曲线与各种PMA条件之前和之后的恒压压力,和退化 我 D 提取,如图 6。它可以观察到,没有PMA设备显示了设备性能最差。另一方面,提高可靠性和PMA设备治疗。各种PMA条件相比,设备氧退火显示设备的可靠性比氧气退火。的 我 D 退化是建议由于破坏钝化氧气空缺期间压力。相比,氮、氧被认为引起强键当钝化的悬空键氧空缺。因此,与氧气退火设备显示最低的 我 D 退化。

我 D - - - - - - V D pMOSFET各种曲线PMA条件之前和之后的恒压压力。

提取的 我D降解后恒压压力。

为了实现的机制 我 D 退化,栅漏电流的变化前后的应力研究这项工作。图 7显示了 我 G - - - - - - V G 曲线的样品退火N2在450°C环境之前和之后的恒压压力。它可以发现,该地区的两条曲线重叠的积累和强烈的反转,将在该地区的枯竭和弱的反演。使用以下模型结果可以解释在图所示 8图 10。应用恒压压力后,相信一些陷阱将生成的接口和high-k介电层。当设备有偏见的积累(见图 8),足够的电子将从衬底被注入到隧道的栅电极;因此,栅漏电流是独立生成的陷阱。当设备是有偏见的枯竭和弱反演(见图 9),栅漏电流包含两个组件:一代洞和gate-injected电子。的应激陷阱high-k介电层会导致陷阱助理隧道从栅电极,和陷阱high-k / Si接口将增强发电洞。两个陷阱会增加门泄漏电流。换句话说,更多的陷阱中产生栅介电层和界面会诱发更大的栅漏电流。足够大的电场(见图 10),电子和空穴分别通过传导带的帷幔乐队high-k层。因此,栅漏电流是独立于压力诱导的陷阱。从上面的模型中,栅漏电流变化主要归因于两个陷阱助理隧道和孔生成消耗和弱反演区域。如图 7少,设备与氧气退火栅泄漏电流的变化比氮气退火。这可能是解释说,氧气退火具有较强的结合使钝化氧气空位的悬空键,导致更少的陷阱中生成的压力。

的 我 G - - - - - - V G 曲线的 450年 ° C, N2退火前后样品的压力。

带图 我 G - - - - - - V G 在积累地区曲线。

带图 我 G - - - - - - V G 在损耗和弱反演地区曲线。

带图 我 G - - - - - - V G 在强烈的反转地区曲线。

 4所示。结论

Postmetallization退火用于这项工作来提高性能和可靠性的high-k /金属栅pMOSFET设备。模型表明,栅漏电流的增加压力必须由于陷阱后一代high-k栅介电层和high-k /硅界面。相信比氮氧会导致较强的粘结钝化的悬空键氧空缺。结果显示,与氧气退火设备显示 我 D 比其他的退化和栅泄漏电流变化。

 确认

这项工作是由美国国家科学委员会根据合同NSC 100 - 2221 - e - 390 - 004, NSC 100 - 2221 - e - 017 - 002,和作者要感谢联电人员有用的支持。

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