Investigation of ALD or PVD (Ti-rich vs. N-rich) TiN metal gate thermal stability on HfO<inf>2</inf> high-K

X射线光电子能谱 热稳定性 材料科学 原子层沉积 物理气相沉积 分析化学(期刊) 金属 化学工程 纳米技术 薄膜 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Lei Wu,H.Y. Yu,X. Li,K. L. Pey,Kung‐Yu Hsu,H.J. Tao,Y. S. Chiu,C.T. Lin,J. H. Xu,H. J. Wan
标识
DOI:10.1109/vtsa.2010.5488933
摘要

The paper reports the impact of TiN metal gate composition (Ti-rich vs. N-rich) and preparation methodology (atomic layer deposition-ALD vs. physical vapor deposition -PVD) on its thermal stability with HfO 2 high-K dielectric, via both physical characterization (X-ray Photoelectron Spectroscopy-XPS, High Resolution TEM combined with Electron Energy Loss Spectroscopy-EELS), and electrical characterization (capacitance voltage -CV & current voltage-IV measurement). After annealing at 1000°C for 30s, it is observed that: 1) Nitrogen tends to out-diffuse from both PVD and ALD TiN; 2) Oxygen from the interfacial layer (IL) between HfO 2 and Si tends to diffuse towards TiN for all the samples. PVD Ti-rich TiN can scavenge more oxygen from IL, but also shows signal of Ti penetration into HfO 2 , which poses a concern on its thermal stability; 3) The oxygen out-diffusion from HfO 2 /IL stack can be significantly suppressed for ALD TiN compared to the PVD TiN, which is critical to maintain the HfO 2 integrity. The effective work function of TiN metal gate is correlated with its thermal stability.

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