The Effects of Precursor and Capping Metals On the Effective Work-Function of ALD TaN in HfO2-based MOS Device

Abstract

In order to improve the performance of CMOS devices and reduce power consumption with High-k/Metal Gate(HKMG) technology, the working ability of metal gates for n-MOS and p-MOS devices must be satisfactory. Band-Edge Metal is required when implementing CMOS devices so that the operational capabilities of n-FET and p-FET devices can meet 4.0-4.2eV and 5.0-5.2eV, respectively. In this work, TaN films were deposited by thermal ALD as the gate metal. And TBTDET and TaCl5 were compared as precursors for the Ta source. The electrical characteristics of the TaN films as mid-gap gate metal materials were evaluated by MOS capacitor structure, and two different capping metals of aluminum(Al) and tungsten(W) were used to achieve the n-type and p-type MOS devices. In the TaN capped by the Al structure, Al capping layer absorbs oxygen atoms from the gate dielectric layer and induces oxygen scavenging in the interfacial layer between the high-k and the substrate. With the thinner interfacial layer, EOT value of the gate dielectric decrease and lead the Vfb has a negative shift. Moreover, the TaN capped low work function of the Al capping layer could achieve the EWF was located near the conduction band-edge. The EWF could tunable from 4.06 eV to 4.63 eV using TBTDET precursor and 4.16 eV to 4.7 eV using TaCl5 precursor. However, in the TaN capped by the W structure, The gate stacks had a higher EWF value than Al capping, and the EWF could tunable from 4.43 eV to 4.94 eV using TBTDET precursor and 4.51 eV to 5.02 eV using TaCl5 precursor. This is because W has a high work function value as capping metal and has little effect on the structural characteristics of the gate dielectric because of the good stability. Low EWF values were obtained due to the influence of carbon when using the TBTDET precursor. Reliability evaluation before and after FGA was also performed to confirm stability. As the importance of plasma-free ALD equipment for FinFET and GAA-FET with 3D channels increases, it is expected that the newly developed Gate electrodes could be applied.|High-k / Metal Gate (HKMG) 기술로 CMOS 장치의 성능을 향상시키고 전력 소비를 줄이려면 n-MOS 및 p-MOS Device 용 Metal Gate의 High Performance가 필요합니다. CMOS 장치를 구현할 때 Band-Edge Metal이 필요하므로 n-FET 및 p-FET 장치의 작동 능력이 각각 4.0-4.2eV 및 5.0-5.2eV를 충족할 수 있습니다. 위 실험에서 TaN 박막은 Gate Electrode로 Thermal ALD에 의해 증착되었습니다. 그리고 Ta의 Precursor로 TBTDET와 TaCl5를 사용 했습니다. Mid-Gap Gate 재료인 TaN의 전기적 특성을 MOS 소자를 제작하여 평가하고, Al과 W의 두 가지 Capping Metal을 사용하여 n-type 및 p-type MOS 소자를 구현했습니다. Al 구조로 Capping 된 TaN에서 Al Capping Layer는 Gate Dielectric Layer에서 Oxygen을 흡수하고 high-k와 Substrate 사이의 interfacial Layer에서 Oxygen Scavenging 현상을 일으킵니다. 더 얇은 계면 층으로 인해 Gate Dielectric의 EOT 값이 감소하고 VFB가 Negative Shift를 합니다. Al capping layer의 TaN 낮은 일 함수는 n-FET으로 활용 가능성을 확보할 수 있었다. EWF는 TBTDET를 사용하여 4.06 eV에서 4.63 eV까지, TaCl5를 사용하여 4.16 eV에서 4.7 eV까지 조정할 수 있습니다. 그러나 W capping 된 TaN에서 Gate Stack은 Al 보다 EWF 값이 더 컸으며 EWF는 TBTDET를 사용하여 4.43 eV에서 4.94 eV까지, TaCl5를 사용하여 4.51 eV에서 5.02 eV까지 조정할 수 있었습니다. W는 Capping Metal로서 일 함수 값이 크고 안정성이 좋아 Gate Dielectric의 구조적 특성에 거의 영향을 미치지 않기 때문입니다. 결과를 보면, TBTDET를 사용할 때 Carbon의 영향으로, 상대적으로 좀 더 낮은 EWF 값을 얻었습니다. 안정성을 확인하기 위해, 제작 된 Device의 FGA 전, 후 신뢰성 평가도 수행했습니다. 3D channel이 있는 Fin-FET 및 GAA-FET 용 Non-Plasma ALD 장비의 중요성이 증가함에 따라 새로 개발된 Gate Electrode가 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상됩니다.