不同PMA条件下提高高k/金属栅pMOSFET器件可靠性的研究

摘要

在PMA过程中，氧和氮在高k/金属栅器件的TiN层中扩散。氧退火和氮退火都能在不增加氧化层厚度的情况下降低栅极漏电流。器件的阈值电压随PMA条件的变化而变化。PMA处理提高了器件的可靠性，特别是对氧退火器件的可靠性。

1.介绍

需要高k/金属栅极来连续缩小设备。然而，阈值电压不稳定和性能下降是高k器件面临的重要问题[1］．栅堆界面缺陷密度是引起负偏置温度不稳定(NBTI)和迁移率下降的主要原因[1］．氧空位在阈值电压变化中起重要作用[2是HfO的一个重要缺陷₂/ Si系统(3.］．电荷氧空位的影响在栅极金属和衬底之间引入了偶极偏移[4］．

金属化后退火(PMA)用于减少界面缺陷，如固定氧化物电荷、氧化物困住电荷和界面电荷[5］．先前的工作已经证明，对于具有贵金属门的器件，氧空位可以通过氧扩散通过门金属钝化[6］．然而，这些受到高等效氧化物厚度的影响。在这项工作中，我们证明了氧气和氮气都可以扩散到薄的TiN层和钝化氧空位，而不增加氧化层的厚度，在不同的温度下使用PMA。提高了pet的负偏置不稳定性，特别是氧退火的pet。

2.实验

在块体硅上形成28nm FET高k/金属栅。后界面SiO₂层/高k和TiN沉积，然后沉积TiN层，厚度为100~200 Å。高k金属栅极器件的制作过程如图所示1．部分样品在氧气或氮气环境下分别在400℃和450℃下退火数分钟。

capacitance-voltage (-)曲线用HP4280精密LCR仪测量，电流-电压(-)曲线与HP-4156B。在基本的电测量之后，用恒定的电压对样品施加应力．在施加应力后，对试样进行再次测量，以确定其可靠性性能。

3.结果和讨论

数字2显示了-在1 MHz下测量的样品的曲线。所有样品提取的EOT约为13 Å。合并后的-所有样品在低电压下的曲线表明，即使在450°C PMA的O中，氧化层厚度也没有额外的增长₂环境。数字3.显示了-所有样本的曲线。可以发现，没有PMA的样品比其他样品表现出明显较大的栅漏电流。另一方面，在所有条件下，PMA后栅漏电流均减小。栅漏电流的降低是由于高k/Si界面缺陷钝化所致[7］．

数字4显示了-不同PMA处理样品的曲线。可以观察到，由于带荷氧空位的存在，未退火的器件的阈值电压最负，PMA处理后阈值电压正向移动。氮退火器件的阈值电压随退火温度的变化是相似的。另一方面，氧退火器件的阈值电压偏移量与退火温度密切相关。阈值电压的正移动可能是由于界面层(IL)区域氧空位的钝化[6］．虽然常用TiN作为扩散屏障，但氧和氮都可以通过TiN区域渗透到IL区域。这一现象可以降低pMOSFET的阈值电压，为pMOSFET的高性能应用提供依据。

数字5显示了-在不同的PMA条件下，恒压应力前后的曲线，以及降解量，并显示在图6．可以看出，没有PMA的器件性能最差。另一方面，PMA处理提高了器件的可靠性。在不同的PMA条件下，氧退火器件的可靠性优于氧退火器件。的降解是由于在应力中钝化氧空位的破坏。与氮相比，氧被认为在钝化氧空位的悬浮键时能产生更强的键。因此，有氧退火的器件表现最低退化。

为了实现的机制本文研究了应力前后栅极泄漏电流的变化和退化。数字7显示了-试样在N₂在450°C的环境下，在恒定电压应力前后。可以发现，两条曲线在聚集和强反演区域重叠，在衰竭和弱反演区域划分。结果可以用如下图所示的模型来解释8图10．在施加恒定电压应力后，认为在界面和高k介电层中都会产生一些陷阱。当器件偏向于积累时(见图)8)，足够的电子将从衬底注入到栅电极通过隧道;因此，栅漏电流与产生的陷阱无关。当设备偏向耗尽和弱反转时(见图)9)，栅极漏电流包括两部分:产生空穴和栅极注入电子。高k介质层中应力诱导的陷阱会导致陷阱辅助从栅电极隧穿，而高k/Si界面中的陷阱会增强产生空穴。两种陷阱都会增加栅极漏电流。换句话说，在栅极介质层和界面中产生的陷阱越多，栅极漏电流越大。由于电场足够大(见图)10)时，电子和空穴将分别通过高k层的导带和价带。因此，栅极泄漏电流与应力诱导的陷阱无关。从上述模型可以看出，在耗尽区和弱反转区，栅极漏电流的变化主要归因于陷阱辅助隧穿和空穴的产生。如图所示7时，氧退火器件的栅漏电流变化小于氮退火器件。这可以解释为，氧退火具有更强的键合，以钝化氧空位的悬浮键，从而减少了在应力过程中产生的陷阱。

4.结论

采用金属化后退火技术提高了高k/金属栅pMOSFET器件的性能和可靠性。模型表明，应力后栅极泄漏电流的增加是由于高k栅极介质层和高k/Si界面产生陷阱引起的。人们认为，氧会导致比氮更强的键，钝化氧空位的悬浮键。结果表明，经氧退火处理的器件表现最差劣化和栅极漏电流的变化比其他的差。

致谢

本研究得到了美国国家科学委员会(National Science Council) NSC 100-2221-E-390-004、NSC 100-2221-E-017-002的支持，感谢UMC工作人员的支持。

参考文献

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2. S. Zafar, H. Jagannathan, L. F. Edge，和D. Gupta，“由SiO中电流测量确定的氧空位迁移率和扩散系数₂/高频振荡器₂/锡栈”固体器件与材料国际会议论文集， p. 669, 2010。视图:谷歌学术搜索
3. S. Guha和V. Narayanan，“高介电常数氧化物半导体薄膜中的氧空位”，物理评论快报第98卷第1期19、文章编号196101,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. K. Shiraishi, K. Yamada, K. Torii等，“氧空位诱导了基于hf的高-K具有p+多硅门的MISFET -A理论方法，"日本应用物理学报，第二部分号，第43卷。11 A, pp. 1413 - 1415, 2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
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6. E. Cartier, M. Hopstaken，和M. Copel，“金属氮化门控HfO中空位缺陷的氧钝化₂/ SiO₂/ Si设备。”应用物理快报第95卷第1期4、Article ID 042901, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 洪家昌，“超薄栅氧化物在金属-氧化物-半导体结构中的降解与外部压应力，”应用物理快报，第79卷，第5期。23，页3797-3799,2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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