High-k / metal-gate devices for future CMOS technology

Abstract

Seit beinahe vierzig Jahren treiben technologischer Fortschritt und wirtschaftlicher Nutzen die Skalierung der CMOS-Technologie voran.<br />Die Verwendung von Siliziumdioxid als Gate-Dielektrikum einerseits, und von hochdotiertem Polysilizium als Gate-Elektrode andererseits, spielt hierbei eine zentrale Rolle und ermöglichte prozesstechnische Vereinfachungen unter Beibehaltung hervorragender Bauelementeigenschaften. Allerdings führt die fortschreitende Skalierung unter Verwendung dieser Materialkombination zu quantenmechanischen Effekten, die sich in einem dramatischen Anstieg der Gateleckströme bemerkbar machen. Durch die Einführung neuer Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante - gegebenenfalls in Kombination mit metallischen Elektroden anstelle von Polysilizium Elektroden - kann dieses Problem vorerst behoben, und so eine weitere Skalierung der CMOS-Bauelemente ermöglicht werden.<br /> Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung hochpermittiver Dielektrika und deren Einsetzbarkeit in CMOS-Bauelementen unter Verwendung metallischer Elektroden. Der Inhalt umfasst zunächst die Abscheidung von Zirkonium-, und Hafniumdioxid aus der Gasphase unter Verwendung von metallorganischen Vorläufersubstanzen, und deren physikalisch-chemische Charakterisierung.<br />Des Weiteren werden, durch das gezielte Aufbringen von Gate-Elektroden aus Aluminium, Molybdän, Nickel oder Titan-Nitrid, MOS-Kondensatoren erzeugt und bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert.<br />Darüber hinaus werden diese Materialsysteme bezüglich ihrer thermo-dynamischen Stabilität untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass gut abgestimmte, und richtig angewandte thermische Nachbehandlung der Bauelemente zu eindeutig verbessertem elektrischen Eigenschaften führt. Dennoch zeigen die prozessierten Oxide keine ausreichende Stabilität in Kontakt mit Silizium, was die erreichbare 'elektrische Dicke' limitiert. Nickel, Molybdän und Titan-Nitrid zeigen 'Mid-gap'-Verhalten in Bezug auf Silizium. Diesen Materialien - wenn entsprechen mit Stickstoff dotiert, oder als Silizid ausgeführt - schreiben wir gute Aussichten zu, in der nahen Zukunft in der CMOS-Technologie Anwendung zu finden.

For almost forty years technological progress and economic benefit drives the scaling of CMOS-technology. The use of silicon dioxide as the gate dielectric on one hand, and highly-doped poly-silicon as the gate electrode on the other hand, offers several simplifications in processing while maintaining excellent device characteristics. However, the continuative scaling by using this material combination leads to quantum-mechanical effects that result in dramatically increased gate leakage currents. By the implementation of new materials with a high dielectric constant - if necessary in combination with metal-gate electrodes instead of poly-silicon electrodes - this problem can be preliminary solved, and hence can ongoing scaling of CMOS-devices be enabled. The present work addresses the investigation of high- dielectrics and their applicability in CMOS-devices using metal-gate electrodes. The contents firstly include the deposition of zirconium dioxide and hafnium dioxide from the gas phase using organometallic precursors, and their physico-chemical characterization. In the following, MOS-capacitors are fabricated by the selective deposition of gate electrodes made from aluminum, molybdenum, nickel, or titanium-nitride, and characterized regarding their electrical behavior.<br />Furthermore, these material systems are investigated regarding their thermodynamical stability.<br />Results demonstrate that well balanced and correctly applied annealing of the devices clearly improves electrical behaviour. However, the processed oxides do not exhibit the necessary thermodynamical stability in contact with silicon, which limits the achievable 'electrical thickness'. Nickel, molybdenum, and titanium-nitride behave as mid-gap metals regarding to silicon. We attribute these metals high potential to be applied in near-future CMOS-technology, if doped with the proper nitrogen content, or implemented as silicides.<br />