Isolantes de porta com altas constantes dieletricas (High K) para tecnologia MOS
Juliana Miyoshi
DISSERTAÇÃO
Português
T/UNICAMP M699i
[High K gate insulators for MOS technology]
Campinas, SP : [s.n.], 2008.
148 p. : il.
Orientador: Jose Alexandre Diniz
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e Computação
Resumo: Filmes isolantes com alta constante dielétrica (high k) para a próxima geração (tecnologia CMOS de 32 nm), tais como óxido de titânio (TiOx), oxinitreto de titânio (TiOxNy), oxinitreto de titânio alumínio (AlxTiwOyNz), nitreto de titânio alumínio (AlxTiwNz) e óxido de titânio alumínio...
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Resumo: Filmes isolantes com alta constante dielétrica (high k) para a próxima geração (tecnologia CMOS de 32 nm), tais como óxido de titânio (TiOx), oxinitreto de titânio (TiOxNy), oxinitreto de titânio alumínio (AlxTiwOyNz), nitreto de titânio alumínio (AlxTiwNz) e óxido de titânio alumínio (AlxTiwOy) foram obtidos por evaporação por feixe de elétrons de Ti ou TiAl, com adicional nitretação ou oxinitretação ou oxidação por plasma ECR (Electron Cyclotron Resonance) em substratos de Si. Os filmes foram caracterizados por elipsometria (espessura), espectroscopia de emissão do infravermelho (FTIR) (ligações químicas) e microscopia de força atômica (AFM) (rugosidade da superfície). Os plasmas ECR foram caracterizados por espectroscopia por emissão óptica (OES). Estes filmes foram usados como isolantes de porta em capacitores MOS, que foram fabricados com eletrodos de Al e TiAl. Estes capacitores foram utilizados para a obtenção das medidas de capacitância - tensão (C-V) e corrente - tensão (I-V). Um valor relativo para a constante dielétrica de 3,9 foi adotado para extrair o valor de EOT dos filmes, a partir das medidas C-V sob região de forte acumulação, resultando em valores entre 1,1 nm e 1,5 nm, e densidades de carga efetiva em torno de 1012 cm-2. Das medidas I-V, foram extraídas valores de correntes de fuga através do dielétrico de porta entre 0,02 mA e 20 mA. Os melhores resultados (com correntes de fuga menores que 4 mA e EOT menores que 1,5 nm) foram obtidos pelas estruturas MOS com dielétrico de porta de AlxTiwOy e AlxTiwOyNz. Devido a estes resultados, nMOSFETs com eletrodo de Al e dielétrico de porta de AlxTiwOyNz foram fabricados e caracterizados por curvas características I-V. Foram obtidas características elétricas do nMOSFET, tais como transcondutância de 380 µS e slope de 360 mV/dec. Estes resultados indicam que os filmes AlxTiwOy e AlxTiwOyNz são adequados para a próxima geração de dispositivos (MOS).
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Abstract: High k insulators for the next generation (sub-32 nm CMOS (complementary metaloxide-semiconductor) technology), such as titanium oxide (TiOx), titanium oxynitride (TiOxNy), titanium-aluminum oxynitride (AlxTiwOyNz), titanium-aluminum nitride (AlxTiwNz) and titanium-aluminum oxide...
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Abstract: High k insulators for the next generation (sub-32 nm CMOS (complementary metaloxide-semiconductor) technology), such as titanium oxide (TiOx), titanium oxynitride (TiOxNy), titanium-aluminum oxynitride (AlxTiwOyNz), titanium-aluminum nitride (AlxTiwNz) and titanium-aluminum oxide (AlxTiwOy), have been obtained by Ti or Ti/Al e-beam evaporation, with additional electron cyclotron resonance (ECR) plasma nitridation or oxynitridation or oxidation on Si substrates. The films were characterized by ellipsometry (thickness), Fourier Transformed Infra Red (FTIR) (chemical bonds) and Atomic Force Microscopy (AFM) (surface roughness). The ECR plasmas were characterized by optical emission spectroscopy (OES). These films have been used as gate insulators in MOS capacitors, which were fabricated with Al or TiAl gate electrodes. These capacitors were used to obtain capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) measurements. A relative dielectric constant of 3.9 was adopted to extract the Equivalent Oxide Thickness (EOT) of films from C-V curves under strong accumulation condition, resulting in values between 1.1 and 1.5 nm, and the effective charge densities of about 1012 cm-2. From I-V measurements, gate leakage currents through these gate dielectrics between 0,02 mA and 20 mA were extracted. The best results (leakage current lower than 4 mA and EOT thinner than 1.5 nm) were obtained by MOS structures with gate dielectrics of AlxTiwOy and AlxTiwOyNz. Because of these results, nMOSFETs with Al gate electrode and AlxTiwOyNz gate dielectric were fabricated and characterized by I-V characteristic curves. nMOSFET electrical characteristics, such as transconductance of 380 µS and sub-threshold slope of 360 mV/dec, were obtained. These results indicate that the obtained AlxTiwOyNz and AlxTiwOy films are suitable gate insulators for the next generation (MOS) devices.
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