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A study of nitrogen behavior in the formation of Ta/TaN and Ti/TaN alloyed metal electrodes on SiO2 and HfO2 dielectrics

机译:在SiO2和HfO2电介质上形成Ta / TaN和Ti / TaN合金金属电极中氮行为的研究

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摘要

We studied Ta, TaN, and sub-stoichiometric TaNx electrodes (obtained by nitrogen redistribution in Ta/TaN or Ti/TaN bilayers) deposited on thermal SiO2 and HfO2/IL (0.8 nm SiO2 IL, i.e., interlayer) stacks. Effective work-functions (WF) were extracted on MOS capacitor structures on SiO2 bevelled insulator of 4.2 eV for pure Ta, 4.6 eV for TaN, and 4.3 eV for sub-stoichiometric TaNx. This intermediate WF value is explained by TaN nitrogen redistribution with reactive Ta or Ti elements shifting the gate work-function toward the Si conduction band. The same electrodes deposited on an HfO2/IL dielectric showed different behavior: First, the Ta/HfO2/IL stack shows a +200 meV WF increase (towards the Si valence band) compared to the SiO2 dielectric stack. This increase is explained by the well-known HfO2/IL dipole formation. Second, in contrast to electrodes deposited on SiO2, sub-stoichiometric TaNx/HfO2 is found to have a lower WF (4.3 eV), than pure Ta on HfO2 (4.4 eV). This inversion in work-function behavior measured on SiO2 vs. HfO2 is explained by the nitrogen redistribution in Ta/TaN bilayer together with diffusion of nitrogen through the HfO2 layer, leading to Si-N formation which prevents dipole formation at the HfO2/IL interface.
机译:我们研究了沉积在热SiO2和HfO2 / IL(0.8 nm SiO2 IL,即中间层)叠层上的Ta,TaN和亚化学计量的TaNx电极(通过Ta / TaN或Ti / TaN双层中氮的再分布获得)。在SiO2斜面绝缘子上的MOS电容器结构上提取了有效功函数(WF),纯Ta的电容为4.2 eV,TaN的电容为4.6 eV,亚化学计量的TaNx的电容为4.3 eV。中间的WF值可以通过反应性Ta或Ti元素的TaN氮再分布来解释,该元素将栅极功函数移向Si导带。沉积在HfO2 / IL电介质上的相同电极表现出不同的行为:首先,与SiO2电介质堆叠相比,Ta / HfO2 / IL堆叠显示出+200 meV的WF增加(朝向Si价带)。这种增加可以通过众所周知的HfO2 / IL偶极子形成来解释。其次,与沉积在SiO2上的电极相反,发现亚化学计量的TaNx / HfO2的WF(4.3 eV)低于HfO2上的纯Ta(4.4 eV)。在SiO2对HfO2上测得的功函数行为的这种倒转可以通过Ta / TaN双层中氮的重新分布以及氮气通过HfO2层的扩散来解释,从而导致形成Si-N,从而阻止了HfO2 / IL界面上的偶极子形成。 。

著录项

  • 来源
    《Applied Physics Letters》 |2014年第14期|1-4|共4页
  • 作者单位

    CEA, LETI, MINATEC Campus, 17 rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9, France;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);
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  • 正文语种 eng
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