Metal gate work function engineering for future CMOS technology nodes : Engenharia da função trabalho de eletrodo de porta metálicos para futuros nós tecnológicos da tecnologia CMOS

Para melhorar o desempenho dos dispositivos CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) com nos tecnologicos inferiores a 100 nm, dieletricos com alta constante dieletrica k (high-k ou alto-k) foram introduzidos. Eletrodos de porta tradicionais baseados em poli-Si nao sao compativeis com dieletricos com alto-k e, portanto, a sua substituicao e necessaria para continuar o escalamento dos dispositivos CMOS. Eletrodos metalicos tem sido empregados em estruturas de porta de dispositivos tradicionais MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) planares, juntamente com dieletricos de alto-k. Filmes de nitreto de titânio (TiN) sao utilizados como eletrodos de porta em dispositivos com tecnologia inferior a 65 nm. Valores da funcao trabalho eficaz (EWF) de filmes de TiN tem sido reportados como adequados para a tecnologia CMOS. Filmes com funcao trabalho eficaz com valores entre 4,15 eV e 4,45 eV sao apropriados para aplicacoes em dispositivos nMOS, enquanto materiais com valores de EWF entre 4,95 eV e 5,15 eV sao adequados para aplicacoes em dispositivos pMOS. Os valores de EWF estao relacionados com a composicao do filme e variacoes de dipolo na interface entre a camada de TiN e o dieletrico. Neste trabalho, os filmes de TiN foram utilizados em dispositivos MOS, planares e FinFET (fin field effect transistor). Dois metodos de deposicao foram utilizados para obtencao dos filmes de TiN: PVD (physical vapor deposition) e ALD (atomic layer deposition). Filme de TiN depositados por PVD podem apresentar valores de funcao trabalho adequados para dispositivos nMOS e pMOS. Infelizmente, filmes conformais em estruturas FinFET tri-dimensionais, que e a tecnologia escolhida para a proxima geracao de dispositivos CMOS, nao sao facilmente obtidos atraves de processos PVD. Por outro lado, processos ALD fornecem a conformalidade desejada, mas filmes de TiN obtidos por ALD apresentam valores de funcao trabalho compativeis somente com dispositivos pMOS. Contudo, valores mais baixos de EWF podem ser obtidos misturando Al com os filmes de TiN. Filmes de TiN com 20 nm de espessura foram obtidos atraves de PVD, e apresentaram um valor de resistividade eletrica de 324 ? cm. Resultados da espectroscopia Raman indicam a presenca de vacâncias de Ti e N nos filmes de TiN depositados por PVD. Alem disso, analises XPS mostram a incorporacao de oxigenio na superficie dos filmes de TiN, que esta relacionado com a exposicao do filme de TiN ao ambiente. A fim de reduzir essa contaminacao superficial de oxigenio, uma camada de Al foi depositada in-situ no topo dos filmes de TiN. E importante ressaltar que este filme de Al foi utilizado somente para evitar a oxidacao superficial dos filmes de TiN e nao para modificacao da funcao trabalho do TiN. Capacitores MOS (com estruturas Al/TiN/SiO2/Si e TiN/SiO2/Si) e diodos Schotkky (com estruturas Al/TiN/Si e TiN/Si) foram fabricados para o estudo das caracteristicas eletricas dos filmes de TiN. Os valores de fator de idealidade entre 1,0 e 3,1 e EWF entre 4,45 eV e 4,55 eV foram extraidos das estruturas Al/TiN/Si e TiN/Si. Vacâncias de Ti e N presentes nos filmes de TiN afetam os valores extraidos para o fator de idealidade, mas a oxidacao superficial dos filmes de TiN tambem podem influenciar os valores do fator de idealidade. Valores de tensao de banda plana entre -0,18 V e 0,04 V, TiN EWF entre 4,05 eV e 4,35 eV, e densidade de carga efetiva entre -1011 cm-2 e 1012 cm-2, foram extraidos dos capacitores MOS. Mudancas nos valores da tensao de banda plana e funcao trabalho do TiN estao relacionados principalmente com as variacoes de dipolo na interface entre TiN e SiO2. Alem disso, o estudo sobre o efeito das variacoes de dipolo (qΔSiO2) na interface TiN/SiO2, os valores de EWF extraidos dos capacitores MOS e diodos Schottky, demonstraram que o termo qΔSiO2 e principalmente influenciado pela oxidacao dos filmes de TiN na interface com o SiO2. Filmes de TiN depositados por ALD apresentam valores de EWF compativeis com tecnologia pMOS, contudo, o valor da funcao trabalho pode ser modificada para valores adequados a tecnologia nMOS, atraves da incorporacao de Al nos filmes de TiN. Com isso, filmes de Al, TiAl e AlN foram introduzidos entre os dieletrico de alto-k (HfO2) e eletrodo de TiN (obtido por ALD), para serem utilizados como fonte para a difusao de Al. Os valores de EWF extraidos dos capacitores MOS com filmes de TiN depositados por ALD, demonstraram uma diminuicao de ate 1,09 eV no valor da funcao trabalho efetiva do TiN quando uma camada de TiAl foi utilizada como fonte para a difusao de Al. Alem do mais, reducoes de 0,26 eV e 0,45 eV foram observadas nos valores de EWF do TiN para estruturas de AlN/TiN. Alem disso, os valores de funcao trabalho efetiva extraidos para os filmes de TiN sao adequados para tecnologia pMOS, mid-gap e nMOS, e a difusao de Al e um metodo promissor para o ajuste da funcao trabalho do TiN. Contudo, a caracterizacao eletrica dos dispositivos FinFET demonstraram que os filmes de TiN utilizados neste trabalho sao compativeis e adequados para a tecnologia CMOS. Alem disso, este trabalho contem o desenvolvimento e fabricacao do primeiro dispositivo FinFET no Brasil. Estes dispositivos foram fabricados com a estrutura de porta Al/TiN/SiO2/Si, e as caracteristicas eletricas destes dispositivos demonstraram que a estrutura Al/TiN e apropriada para aplicacoes da tecnologia nMOS. Abstract