Atomic Layer Deposited Cobalt-based Metal Gate Electrode for pMOS Device

Abstract

The work function of the metal gate is an important parameter that can modulate the threshold voltage of the MOSFETs. Depending on the application used, the threshold voltage required changes, and thus modulation of the work function of the metal gate is also required. Therefore, it is necessary to develop metal gates of various work functions, and in this study, we study metal gates using cobalt suitable for pMOS devices. Many studies have been conducted to apply cobalt to semiconductors as a low-resistance material [1-3]. In addition to its low-resistance properties, cobalt also has a 5.0 eV work function suitable for pMOS devices. In this study, we developed a cobalt thin film deposition process using the atomic layer deposition method and applied it to metal gates. In this report, cobalt-based metal gates (Co, TiCoN, and TaCoN) were prepared by plasma-enhanced atomic layer deposition (PE-ALD) to modulate effective work functions. TiCoN and TaCoN thin films were grown by TiN, TaN, and Co supercycle. We observed the change in properties of each metal thin film according to ALD process conditions, and each thin film was analyzed through XRD, XPS, AFM, FE-SEM, TOF-SIMS, TEM, and others. Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) devices were fabricated using prepared thin films as metal gates to evaluate electrical characteristics. The work function of TiN and TaN was 4.67 and 4.65 eV, respectively, and Co was 5.31 eV. The ratio of cobalt in TiCoN thin films was adjusted by changing the TiN and Co subcycle ratios, and the TaCoN metal gates were adjusted in the same method. Depending on the cobalt ratio in the metal gate, TiCoN has a work function range of 5.05 – 5.28 eV, and TaCoN has a work function range of 4.77 – 5.25 eV. Both metal gates show increased work function as the cobalt ratio increased. Forming gas annealing (FGA) was performed for 30 minutes at 400 and 500 ℃, respectively, to evaluate the thermal stability of the MOS device. TiCoN and TaCoN metal gates, including a specific ratio of cobalt, have 5.0 eV or higher work functions even after the FGA. This result suggests that TiCoN and TaCoN, which contain more than a specific ratio of cobalt, are promising metal gate materials for pMOS. |금속 게이트의 일 함수는 MOSFETs의 문턱 전압을 조절하는 데 중요한 parameter이다. Logic device는 어플리케이션에 따라 요구되는 문턱 전압이 서로 다르기 때문에 이를 구현하는 데 필요한 금속 게이트의 일 함수 또한 달라진다. 따라서 다양한 일 함수를 갖는 금속 게이트 재료의 개발이 필요하며 본 연구에서는 코발트를 활용하여 pMOS 소자에 적합한 금속 게이트 전극에 관하여 연구하였다. 코발트는 낮은 저항을 갖는 물질로써 다양한 반도체 재료로써 연구되었다. 코발트는 낮은 저항 특성 외에도 5.0eV의 pMOS 금속 게이트 재료에 적합한 높은 일 함수를 갖는다. 따라서 이 연구에서는 원자층 증착법을 이용한 코발트 박막 증착 공정을 개발하고 이를 활용한 금속 게이트를 MOS device에 적용하였다. 모든 코발트 기반 금속 게이트 (Co, TiCoN 및 TaCoN)는 플라즈마 강화 원자층 증착법 (PE-ALD)으로 증착하였다. TiCoN 및 TaCoN 박막은 TiN, TaN 및 Co를 슈퍼 사이클 방식으로 혼합하여 증착하였다. 이때, ALD 공정 조건에 따른 각 금속 박막의 특성 변화를 관찰하였으며, 각 박막은 XRD, XPS, AFM, FE-SEM, TOF-SIMS, TEM 등을 통해 분석했다. 또한, 증착한 박막의 전기적 특성을 분석하기 위하여 금속-산화물-반도체 (MOS) 소자를 제작하여 연구하였다. 그 결과 TiN과 TaN 금속 게이트의 일 함수는 각각 4.67eV와 4.65eV, Co는 5.31eV였다. TiN 및 Co 서브 사이클 비율을 변경하여 TiCoN 박막의 코발트 비율을 조정했으며 TaCoN 금속 게이트도 같은 방법으로 조정하였다. 금속 게이트의 코발트 비율에 따라 TiCoN은 5.05 – 5.28 eV 범위의 일 함수 가지며 TaCoN은 4.77 – 5.25eV의 일 함수 범위를 갖는다. 두 금속 게이트는 코발트 비율이 증가함에 따라 일 함수가 증가하였다. 각 금속 게이트를 사용한 MOS 소자의 열 안정성을 평가하기 위하여 400 ℃와 500 ℃에서 30분 동안 Forming gas annealing (FGA)을 실시하였다. 그 결과 일정 비율 이상의 코발트를 함유하는 TiCoN 및 TaCoN 금속 게이트는 FGA 이후에도 5.0 eV 이상의 일 함수를 가진다. 이 결과는 일정 비율 이상의 코발트를 포함하는 TiCoN과 TaCoN 박막은 pMOS용 금속 게이트 재료로써 잠재적인 가능성이 있다는 것을 의미한다.