Physical and electrical characterization of polysilicon vs. TiN gate electrodes for HfO2 transistors

材料科学 光电子学 薄膜晶体管 晶体管 栅极电介质 电极 阈值电压 栅氧化层 电容 场效应晶体管 金属浇口 氧化物 电介质
作者
Patrick S. Lysaght,Jeff J. Peterson,Brendan Foran,Chadwin D. Young,Gennadi Bersuker,Howard R. Huff
出处
期刊:Materials Science in Semiconductor Processing [Elsevier BV]
卷期号:7 (4): 259-263 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.mssp.2004.09.111
摘要

Abstract The effects of pre-deposition substrate treatments and gate electrode materials on the properties and performance of high-k gate dielectric transistors were investigated. The performance of O3 vs. HF-last/NH3 pre-deposition treatments followed by either polysilicon (poly-Si) or TiN gate electrodes was systematically studied in devices consisting of HfO2 gate dielectric produced by atomic layer deposition (ALD). High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) using X-ray spectra and Electron Energy Loss Spectra (EELS) were used to produce elemental profiles of nitrogen, oxygen, silicon, titanium, and hafnium to provide interfacial chemical information and to convey their changes in concentration across these high-k transistor gate-stacks of 1.0–1.8 nm equivalent oxide thickness (EOT). For the TiN electrode case, EELS spectra illustrate interfacial elemental overlap on a scale comparable to the HfO2 microroughness. For the poly-Si electrode, an amorphous reaction region exists at the HfO2/poly-Si interface. Using fast transient single pulse (SP) electrical measurements, electron trapping was found to be greater with poly-Si electrode devices, as compared to TiN. This may be rationalized as a result of a higher density of trap centers induced by the high-k/poly-Si material interactions and may be related to increased physical thickness of the dielectric film, as illustrated by HAADF-STEM images, and may also derive from the approximately 0.5 nm larger EOT associated with polysilicon electrodes on otherwise identical gate stacks.
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