利用偶极最后技术（Dipole-Last Technology）研究TiN/LaOx界面偶极效应对TiN/LaOx/HfO2/SiO2栅极堆中负平带电压（VFB）变化的影响

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Investigation of TiN/LaOx Interface Dipole Effect on Negative Flat-Band Voltage (VFB) Shift in TiN/LaOx/HfO2/SiO2 Gate Stacks Using Dipole-Last Technology

La偶极最后工艺调控TiN/LaOx界面偶极负平带移位机制研究，实现-171mV VFB调制（D&R贡献-123mV），但导致EOT增厚及界面陷阱密度上升，HRTEM和XPS证实La-N键形成而非扩散至高κ层。

　　

摘要：

本研究探讨了采用“La偶极子最后沉积”（La dipole-last）技术在TiN/LaOx/HfO2/SiO2栅极结构中，TiN/LaOx界面偶极子对负平带电压（FB）变化的影响。实验结果表明，“La偶极子最后沉积”过程中的驱动与去除（D&R）工艺使FB电压调制幅度达到了-171 mV，其中D&R工艺本身导致了-123 mV的电压变化。尽管LaOx偶极子层抑制了陷阱/释放电子密度的增加，但同时也导致了等效氧化物厚度（EOT）和界面陷阱密度的增加，以及栅极漏电流的增大。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示，La并未扩散到高κ值的SiO2界面层（IL）中形成La–O–Si键。相反，检测到的La–N键表明，TiN/LaOx界面处的偶极子形成是导致负FB电压调制的原因。基于这些实验结果，提出了TiN/LaOx界面偶极子的作用机制，并通过采用“La偶极子最后沉积”工艺制备和表征La层叠结构对该机制进行了验证。这些发现为理解La偶极子技术在HfO2高κ值介电层中的FB电压调节机制提供了重要见解。

引言

为实现高性能和低功耗，堆叠纳米片（NS）栅极全环绕场效应晶体管（GAA-FETs）中的多阈值电压（multi-threshold voltage）技术至关重要。有效功函数（EWF）主要通过调节功函数金属（WFM）的厚度来调控[1],[2],[3],[4]。通常，TiAl[5]被广泛认为是NMOSFETs中用于负向FB电压调节的主要n型WFM材料；而TiN[6]则用于PMOSFETs的正向FB电压调节。然而，在NS GAA-FETs中，传统的厚度调节技术受到不同厚度WFM层之间层间距的限制，从而进一步降低了EWF的调节能力[7]。由于偶极子工程几乎不需要调节WFM的厚度，并且能够有效调节EWF[8],[9],[10],[11],[12],[13]，因此受到了广泛研究。在各种偶极子材料中，LaO_x因其负偶极效应而常被用作合适的FB电压调节材料[14],[15]。近期研究中，“La偶极子最后沉积”和“La偶极子首先沉积”（dipole-first）方法被确定为形成LaO_x层的主要途径。“La偶极子首先沉积”工艺中，LaO_x直接沉积在SiO₂界面层（IL）上，随后被高κ值层覆盖，属于低温工艺；而在“La偶极子最后沉积”工艺（D&R工艺）[17]中，LaO_x首先沉积在高κ值层上，随后在高温条件下扩散进入该层。