Свойства многослойных затворных структур МОП нанотранзисторов, на основе силицидов и диэлектриков с высоким ε, полученных методами магнетронного распыления и электронно-лучевого испарения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат физико-математических наук Рогожин, Александр Евгеньевич

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Рогожин, Александр Евгеньевич

Глава 1. Новые транзисторные структуры и материалы для них.

1.1. Диэлектрические материалы для затворных структур.

1.1.1. Общий обзор диэлектрических материалов.

1.1.2. Диэлектрические материалы на основе циркония и гафния.

1.1.3. Слои гЮ2 и НЮ2, сформированные методом послойного осаждения из газовой фазы.

1.1.4. Слои гЮ2 и НЮ2, сформированные физическими методами осаждения.

1.2. Материалы для электрода затвора.

1.2.1. Общий обзор материалов для электрода затвора.

1.2.2. Затворные структуры с Т1812, Со812 и №81.

1.3. Формирование элементов транзисторов с помощью фазового расслоения.

1.4. Анализ транзисторных структур.

1.4.1. Транзисторы с горизонтальным расположением канала.

1.4.1.1. КНИ транзисторы.

1.4.1.2. Двухзатворные транзисторы.

1.4.1.3. Транзисторы на узких балках (РтРЕТ).

1.4.1.4. Транзисторы с переменной глубиной переходов.

1.4.2. Транзисторы с вертикальным расположением канала.

Глава 2. Формирование затворных структур и методы их исследования

2.1. Формирование затворных структур.

2.1.1. Формирование затворных структур Ме/НГО2/81 и Ме/гЮ2/81 методом электронно-лучевого испарения.

2.1.2. Формирование затворных структур для исследования процесса твердофазной диффузии в системе СоЛл/. ./СоЛП/8Ю2/81.

2.2. Методы исследования структур.

2.2.1. Методы вольтфарадных и вольтамперных характеристик (СУ- и IV-метрии).

2.2.2. Резерфордовское обратное рассеяние.

2.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).

2.2.4. Вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС) с времяпролетньтм масс-анализатором.

Глава 3. Свойства затворных структур, сформированных методом электронно-лучевого испарения.

3.1. Влияние режима обработки подложек на свойства МОП структур.

3.2. Электрофизические свойства затворных структур на основе Хг02 и НЮ2.

3.3. Диэлектрическая проницаемость и влияние материала электрода на свойства затворных структур.

3.4. Образование переходного слоя 8ЮХ и структура пленок, при формировании с помощью электронно-лучевого испарения.

3.5. Токи утечки и плотность зарядовых состояний на границе диэлектрик/полупроводник в затворных структурах Ме/7г02/81 и

Глава 4. Формирование затворных структур Со812/ТЮ;>/8Ю2/81 методом твердофазной диффузии.

4.1. Физическая модель процесса твердофазной диффузии в системе Со/ТУ./Со/ТтаСЬ^.

4.1.1. Диффузия в металлических пленках, кремнии и оксидах.

4.1.2. Химические реакции и начальные концентрации.

4.2. Результаты моделирования процесса твердофазной диффузии в системе ЗУСоГГУ. ./Со/ТУ8Ю2/81.

4.3. Результаты эксперимента по твердофазной диффузии в системе Б^Со/ТУ. ./Со/Т^Ог/Б!.

Глава 5. Вертикальный транзистор с управляемой глубиной переходов.

5.1. Структура и принцип работы прибора.

5.2. Динамические параметры прибора.

5.3. Маршрут изготовления транзистора.

5.4. Физическая модель прибора.

5.4.1. Модели транспорта.„

5.4.2. Эффективные массы носителей и температурные зависимости ширины запрещенной зоны и подвижности.

5.5. Результаты моделирования вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов.

5.5.1 Результаты, полученные с помощью обычных моделей транспорта носителей заряда.

5.5.2. Результаты, полученные с помощью метода Монте-Карло.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», 05.27.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства многослойных затворных структур МОП нанотранзисторов, на основе силицидов и диэлектриков с высоким ε, полученных методами магнетронного распыления и электронно-лучевого испарения»

Актуальность темы. Среди проблем с формированием КМОП ИС, возникающих при миниатюризации МДП транзисторов, одними из самых острых являются проблемы формирования наноразмерных затворных структур с необходимыми электрофизическими характеристиками. При ч » 1ч переходе к технологическим нормам 45-55нм, из-за необходимости снижения токов утечки через тонкие слои подзатворного диэлектрика, оксинитрид кремния в затворных структурах был заменен материалом па основе гафния. В качестве основного метода формирования слоев подзатворного диэлектрика, как правило, используется послойное осаждение из газовой фазы. Этот метод обладает рядом недостатков. Известно, что при формировании диэлектрических слоев данным методом значения плотности

- и зарядовых состояний на границе диэлектрик/полупроводник получаются не ^ 11 1 ^ 9 ниже 10 -10 "см"" [1, 2], а диэлектрическая проницаемость не превышает 1418 [3]. Также при формировании слоев диэлектриков с высоким е необходим промежуточный слой 8ЮХ. При этом метод не обеспечивает возможность контроля роста этого промежуточного слоя, толщина которого может превышать 3-7нм [4]. Поэтому необходимы исследования возможностей перехода либо к другим методам формирования слоев подзатворного диэлектрика, либо к другим диэлектрическим материалам. 1

Известно, что физические методы осаждения, в особенности электронно-лучевое испарение, могут быть использованы для получения высококачественных диэлектрических пленок [5, 6]. В связи с этим, представляет интерес разработка технологии формирования затворных структур с помощью физических методов осаждения.

Другой подход к решению проблемы низкой диэлектрической проницаемости и высокой плотности дефектов - переход к другому материалу с высокой диэлектрической проницаемостью, который может быть использован в сочетании с тонкими промежуточными слоями 8Ю2.

Особый интерес представляет формирование диэлектрических стеков на основе материалов с высоким е и диоксида кремния с помощью процессов самоорганизации, например, фазового расслоения. В этом случае возможно формирование затворной структуры в едином технологическом цикле, одновременно с формированием контактных систем к областям стока-истока наноразмерных МОП транзисторов [7].

Известно, что большинство материалов с высоким s не может выполнять функцию барьерного слоя для атомов легирующих примесей, в t > первую очередь, бора и фосфора. Поэтому использование поликремниевых электродов в сочетании с такими материалами затруднительно. Кроме того, высокое сопротивление силыюлегированных слоев поликремния (>ЮОмкОм-см) препятствует снижению временных задержек в КМОП схемах. В связи с этим, необходим переход к металлическим электродам I затвора. При этом материал для электрода должен обладать низким сопротивлением, быть термостабильным на диэлектрике. Значение работы выхода этого материала должно находиться либо вблизи середины, либо у края запрещенной зоны кремния. В последнем случае необходима пара материалов для р- и п- канальных транзисторов. В компании Intel при переходе к технологии 45нм в качестве материала электрода затвора использовался нитрид титана. Известно, что этот материал обладает достаточно высоким сопротивлением 30-70мк0м-см. Применение силицидов, например, дисилицида кобальта, позволило бы снизить это сопротивление.

С другой стороны, уменьшение геометрических размеров затворной структуры сопряжено с применением прецизионной литографии, а именно иммерсионной фотолитографии с длиной волны 193нм или фотолитографии крайнего ультрафиолетового диапазона (EUV). Широко исследуется возможность использования новых структур МОП транзистора, например, транзисторов на КНИ подложках, многозатворных, многоканальных и вертикально-ориентированных транзисторов. Тем не менее, большинство разработок направлено на улучшение электрофизических характеристик приборов, а подход к формированию структур остается прежним. Интерес представляет разработка структуры МОП нанотранзистора, реализация которого возможна с помощью широко распространенной фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм.

Целыо настоящей работы является:

• разработка технологии формирования слоев подзатворных диэлектриков на основе диоксидов гафния и циркония методом электроннолучевого испарения; ,

• разработка технологии формирования металлического электрода затвора методом фазового расслоения;

• разработка технологии формирования затворной структуры на основе подзатворного диэлектрика с высоким е и металлического затвора в едином технологическом цикле;

• разработка структуры МОП транзистора с длиной канала менее 20нм, обладающего высокими электрофизическими характеристиками, которая может быть сформирована с помощью фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих исследований в области использования новых перспективных материалов для МОП транзисторов, а также разработки новых структур МОП транзисторов.

2. Исследовать особенности формирования затворных структур методом электронно-лучевого испарения, оценить основные электрофизические параметры таких затворных структур, параметры диэлектрических слоев и границ раздела.

3. Сформировать методом электронно-лучевого испарения слои подзатворного диэлектрика с плотностью зарядовых состояний на границе

раздела с 81 не хуже 1-10 см"" и значением относительной диэлектрической проницаемости к>20.

4. Построить модель формирования затворной структуры Со8ь-Т18ъ/ТЮ2/8Ю2/81 при термообработке системы Со/Т1/./Со/Т1/8Ю2/81.

5. Исследовать процессы фазообразования в четырехкомпонентной системе Со/Т1/./Со/гП/8Ю2/81 в процессе быстрого отжига и определить .» основные особенности перераспределения компонентов и химических реакции в такой системе.

6. Разработать технологию формирования затворных структур диэлектриком с высоким е и металлическим электродом в едином цикле.

7. Разработать структуру МОП транзистора, отвечающую требованиям технологии изготовления МОП транзисторов с длиной канала менее 20нм.

8. Построить модель для расчета предложенного прибора численными методами и рассчитать динамические характеристики транзистора.

1. Экспериментально определены условия формирования слоев подзатворных диэлектриков методом электронно-лучевого испарения, которые обеспечивают низкие значения плотности поверхностных состояний (4- Ю10 -1-1011 см"2) на границах и НГО2/81

2. Разработана технология формирования металлических электродов для затворных структур методом фазового расслоения в четырехкомпонентной системе ТьСо-ЗьО.

3. Разработана технология формирования затворных структур Со8ь/ТЮ2/8Ю2/81 методом твердофазной диффузии, при этом диэлектрический стек ТЮ2/8Ю2 и металлический электрод затвора формируются в едином технологическом цикле.

4. Разработана структура вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов с длиной канала менее 20нм и технология его формирования с помощью фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм.

5. Рассчитаны электрофизические характеристики вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов, получены основные параметры (напряжение насыщения 400мВ, ток утечки 13о=0,35мкА/мкм), включая значения предельной частоты переключения прибора (Г=5ТГц). Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке затворных структур с металлическими электродами и материалами с высокой диэлектрической проницаемостью для МДП транзисторов с длиной канала менее 20нм. Продемонстрирована возможность формирования ультратонких слоев материалов с высокой диэлектрической проницаемостью с низкими значениями плотности зарядовых состояний на границе раздела с Бь Разработана технология, позволяющая существенно упростить процесс формирования затворных структур современных транзисторов. Предложена многозатворная структура МОП транзистора с длиной канала менее 20нм, которая может быть сформирована с помощью фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм.

Положения, выносимые на защиту:

1. При электронно-лучевом испарении сверхтонких слоев (толщиной менее 2нм) диоксидов циркония (к=18-23) и гафния (к= 19-25) в высоком вакууме на поверхности атомарно чистой или окисленной кремниевой подложки можно формировать границы раздела диэлектрик^ с низкой плотностью поверхностных состояний (4- Ю10 -1-1011 см"2).

2. В процессе быстрого температурного отжига в четырехкомпонентной системе Со/гП/./Со/гП/8Ю2/81 происходит фазовое расслоение с образованием ТЮ2 и смеси Со8ь-Т18ь. В результате может быть сформирована затворная структура на основе высокопроводящих силицидов кобальта и титана и диэлектрического стека ТЮ2/8Ю2, обладающего высокой эффективной диэлектрической проницаемостью (к=25-30).

3. Образование в системе Со/ТьЛ./Со/Т1/8Ю2/81 в процессе отжига слоя ТЮ2 на границе Т1/8Ю2 препятствует диффузии атомов кислорода в пленку ТьСо, не позволяя толщине диэлектрического слоя увеличиваться, что позволяет точно контролировать емкость полученных МОП стуктур.

4. Применение мпогозатворной структуры, в которой дополнительные затворы контролируют динамические области стока и истока, и профиля распределения примесей с сильно легированными дельта слоями в канале позволяет в значительной степени подавить проявление короткоканальных эффектов в вертикальном МОП транзисторе, который может быть сформирован с помощью фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 54-ой научно-технической конференции Московского института радиотехники, электроники и автоматики в 2005 г., Международной конференции «Микро-и наноэлектроника-2005» (1СМЫЕ-2005) в Звенигороде в 2005г., 49-ой научной конференции МФТИ (Всероссийская) в 2006 г. Международной конференции «Микро- и наноэлектроника-2007» (1СММЕ-2007) в Звенигороде в 2007г., Международной конференции «Микро- и наноэлектроника-2009» (1СМИЕ-2009) в Звенигороде в 2009г.

Публикации. Результаты проведенных научных исследований представлены в 8 публикациях, включающих публикации в ведущих отечественных научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 112 наименований.