The effects of prior nitridation process of silicon surface and different metal gates on the capacitance voltage characteristics of metal-TA2O5-SI MOS capacitor

Abstract

Yarı iletkenlerin uluslar arası teknoloji (ITRS) haritasının 2004 yılındaki açıklamasına göre, mikron-altı teknoloji için, 1 nm den küçük eşdeğer oksit kalınlığına (EOT) ihtiyaç vardır. Fakat bu kalınlıkta doğal SiO2 kendi fiziksel özelliklerini koruyamadığından ve cihazın performansını düşüren yüksek akım kaçağına neden olduğundan kullanım için pek uygun değildir. SiO2' in daha yüksek dielectric sabitine sahip bir yalıtkanla değiştirilmesi yukarıda bahsedilen problemleri azaltırken daha kalın bir oksit tabakasının kullanımını sağlar. Bu da SiO2 ile aynı terslenim yük tabakasını oluştururken kaçak akımı düşürecektir. Bu çalışmada farklı koşullarda hazırlanmış metal-Ta2O5-Si MOS kapasitörler incelenmiştir. Ara yüzey özelliklerini iyileştirmek için oksit tabakasının büyütülmesinden önce silisyum yüzeyine N2O ve NH3 gaz ortamlarında 700?850 oC sıcaklık aralığında ön nitrürleme işlemi uygulanmıştır. Bununa beraber, metalin metal-oksit üst ara yüzeyinde MOS kapasitörlerin elektriksel özellikleri üzerindeki etkisini incelemek üzere farklı metal elektrotlar kullanılmıştır. Kullanılan metal elektrotlar sırasıyla Al, TiN ve W. Kullanılan farklı metallerin ve nitrürleme işleminin MOS kapasitörlerin oksit ve ara yüzey üzerindeki etkilerini incelemek için yüksek frekanslı (1MHz) Kapasitans-Gerilim spektroskopisi kullanılmıştır. Yüksek frekansta ölçülen C-V eğrisinden yararlanarak, oksit kapasitansı, dielektrik sabiti, EOT, kaçak akım yoğunluğu, düz bant gerilimi, histerisis kayması, hareketli tuzak yükleri, etkin oksit yük yoğunluğu ve ara yüzey tuzak yoğunluğunu içeren elektriksel özellikler hesaplanmış ve referans örnekleriyle kıyaslanmıştır. Referans örnek-1, doğal oksit SiO2 ve Al metal gate içermekte ve Referans örnek-2 Ta2O5 oksit ve nitrürlenmemiş silisyum yüzeyi içermektedir.Sonuç olarak, Ta2O5' in SiO2'in yerine kullanılmasıyla dielektrik sabitinin birkaç kata kadar artığı ve ön nitrürleme işleminin ara yüzeyi daha iyi bir hale getirdiği gözlenmiştir. Tungsten metaline ve Ta2O5 oksidin büyütülmesinden önce ön nitrürleme işlemine maruz bırakılmış silisyum yüzeyine sahip örneklerde umut verici sonuçlar bulunmuştur. İleride yapılacak olan MOS cihazlarda kullanılabilir.

According to the 2004 International Technology Roadmap of Semiconductor (ITRS), for sub-micron technology, an equivalent oxide thickness (EOT) less than 1 nm is required. However, for such thickness levels, the native oxide SiO2 is unacceptable since it does not posses its inherited physical properties and results in high leakage current density resulting in reduced device performance. The replacement of SiO2 with high dielectric constant material (high-k) may eliminate such problems since it will allow the usage of thicker dielectric material. The leakage current will be reduced while maintaining the same levels of inversion charge. In this study, the electrical properties of metal-Ta2O5-Si MOS capacitor were investigated for devices prepared with different conditions. A prior nitridation process of silicon surface in N2O and NH3 gas before Ta2O5 was carried out to improve interface quality. In addition, different metal gates formed on the Ta2O5 oxide layer were also used in order to see the effects of top oxide-metal gate on the electrical properties of MOS capacitors. The metal gates used are Al, TiN and W. High frequency (1MHz) Capacitance-Voltage Spectroscopy was used to understand the effects of prior nitridation process and metal gates on the Ta2O5 high-k oxide properties. From the analysis of high frequency C-V curves, oxide capacitance, dielectric constant, EOT, leakage current density, conductance, flat band voltage VFB shift, mobile charge density, effective oxide charge and interface trap density Dit were obtained and compared with those of reference samples. Reference sample -1 has native oxide SiO2 and Al metal gate and Reference sample-2 has Ta2O5 oxide layer with unnitrided silicon surface.It has been found that, the replacement of SiO2 gate oxide with Ta2O5 oxide layer results in an increase in dielectric constant by several factors and using nitridation process prior to Ta2O5 oxide layer improves the interface properties. Many promising results were obtained for samples with W metal gates and nitrided silicon surface prior to formation of Ta2O5 oxide layer. It is potentially applicable to future MOS devices.