The Formation of Dipole to Modulate Flatband Voltage (VFB) using ALD Al2O3 and La2O3 on the HfO2-based Si and Ge MOS Devices

Abstract

As the device has been continuously scaled and developed into 3D structures such as FinFET and GAAFET, the space margin for thin film deposition has become smaller, requiring a much tighter volume-free flatband voltage (VFB) and threshold voltage (Vth) tuning for the gate stack application. The low and symmetric VFB (or Vth) should be provide for various logic device applications and these voltages must be controlled to a proper level for the multiple purposes depending on device applications. Various methods have been proposed to modulate the VFB shift, such as inserting capping layers, moderate annealing temperature and doping. In this study, we have focused on the comparison of electrical properties of both Si and Ge by the control of the Al and La dipole element thickness, wafer cleaning method (conventional BOE vs. the repetition of 2% Hf solution) and annealing process (As-dep vs. PDA: post deposition annealing at 500℃). The Al2O3 capping layers and La2O3 capping layers on the HfO2 were deposited on Si and Ge by thermal ALD. Trimethyl-laluminum(TMA) and La(iPrCp)3 were used as the precursors of Al2O3 and La2O3 with the reactant either H2O or O3 separately. The ALD HfO2 thin films were grown using tetrakis(ethylmethylamido) hafnium(TEMAHf) with O3. To confirm their electrical and chemical properties, the PDA was performed to drive Al atoms into HfO2 for the dipole formation. All devices we measured by a Keithely 4200 to obtain the electrical characteristics involving capacitance-voltage characteristics. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and SIMS were also utilized to analyze the internal chemical state and the depth profile. After the post annealing, the dipole is formed at the interface between high-k and substrate, which plays a role of VFB modulation. We founded that as the thickness of the Al2O3 increases, the VFB shifts in the positive direction for both substrates. The flat band voltage shifted by about 230mV with 1.5nm Al2O3 capping layer on Si wafer and 610 mv on Ge wafer. In a while, with the La2O3 thickness increasing induces more negative VFB shift and the flat-band voltage shifted to positive direction about 181 mV with the 1.5 nm thick-La2O3 capping layer. Our results indicate that electronegative atom using Al2O3 and La2O3 are an efficient way to modulate VFB (or Vth) for Si or Ge-based 3D device structures, which do not enough space margin for the gate stack film deposition because dipole formation is volume-free approach.|장치가 FinFET 및 GAAFET와 같은 3D 구조로 지속적으로 확장되고 개발됨에 따라 박막 증착을 위한 공간 마진이 작아지고 훨씬 더 엄격한 VFB(Volume-Free Flatband Voltage) 및 Vth(Threshold Voltage) 튜닝이 필요합니다. 게이트 스택 응용 프로그램. 낮고 대칭적인 VFB(또는 Vth)는 다양한 로직 디바이스 애플리케이션에 제공되어야 하며 이러한 전압은 디바이스 애플리케이션에 따라 다양한 목적을 위해 적절한 레벨로 제어되어야 합니다. 캡핑 층 삽입, 적당한 어닐링 온도 및 도핑과 같은 VFB 이동을 조절하기 위한 다양한 방법이 제안되었습니다. 본 연구에서는 Al 및 La 쌍극자 소자 두께 제어, 웨이퍼 세정 방법(기존 BOE vs. 2% Hf 용액 반복) 및 어닐링 공정( As-dep 대 PDA: 500℃에서 증착 후 어닐링). Al2O3 캡핑 층과 HfO2 상의 La2O3 캡핑 층은 열 ALD에 의해 Si 및 Ge 상에 증착되었다. Trimethyl-laluminum(TMA) 및 La(iPrCp)3는 Al2O3 및 La2O3의 전구체로 사용되었으며 반응물은 H2O 또는 O3로 별도로 사용되었습니다. ALD HfO2 박막은 O3와 함께 테트라키스(에틸메틸아미도) 하프늄(TEMAHf)을 사용하여 성장되었습니다. 전기적 및 화학적 특성을 확인하기 위해 쌍극자 형성을 위해 Al 원자를 HfO2로 유도하기 위해 PDA를 수행했습니다. 우리가 Keithely 4200으로 측정한 모든 장치는 커패시턴스-전압 특성과 관련된 전기적 특성을 얻기 위해 측정했습니다. X선 광전자 분광법(XPS)과 SIMS도 내부 화학 상태와 깊이 프로파일을 분석하는 데 사용되었습니다. Post annealing 후에는 high-k와 기판 사이의 계면에 쌍극자가 형성되어 VFB 변조의 역할을 한다. 우리는 Al2O3의 두께가 증가함에 따라 VFB가 두 기판에 대해 양의 방향으로 이동한다는 것을 발견했습니다. 플랫 밴드 전압은 Si 웨이퍼의 1.5nm Al2O3 캡핑 층과 Ge 웨이퍼의 경우 610mv로 약 230mV만큼 이동했습니다. 잠시 후 La2O3 두께가 증가하면 더 많은 음의 VFB 이동이 유도되고 플랫 밴드 전압은 1.5 nm 두께의 La2O3 캡핑 층을 사용하여 약 181 mV로 양의 방향으로 이동합니다. 우리의 결과는 Al2O3 및 La2O3를 사용하는 전기음성 원자가 Si 또는 Ge 기반 3D 장치 구조에 대한 VFB(또는 Vth)를 변조하는 효율적인 방법임을 나타냅니다. 접근하다.