автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Свойства многослойных затворных структур МОП нанотранзисторов, на основе силицидов и диэлектриков с высоким ε, полученных методами магнетронного распыления и электронно-лучевого испарения

На правах рукописи

РОГОЖИН АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ЗАТВОРНЫХ СТРУКТУР МОП 11А1ЮТРАНЗИСТОРОВ, НА ОСНОВЕ СИЛИЦИДОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ С ВЫСОКИМ £, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ИСПАРЕНИЯ

Специальность 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2009

" 3 ДЕК 2009

003486551

Работа выполнена в Физико-технологическом институте Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Васильев Андрей Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Вяткин Анатолий Федорович кандидат физико-математических наук, доцент

Зайцев Александр Александрович

Ведущая организация:

ФГУП Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры «Прогресс»

Защита состоится «17» декабря 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.002.204.01 в Физико-технологическом институте РАН по адресу: 117218, Москва, Нахимовский проспект, д. 36, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технологического института РАН

Автореферат разослан «17» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук В.В. Вьюрков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 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 на 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 зарядовых состояний на границе диэлектрик/полупроводник получаются не ниже 10п-10'2см 2 [1, 2], а диэлектрическая проницаемость не превышает 1418 [3]. Также при формировании слоев диэлектриков с высоким £ необходим промежуточный слой 5ЮХ. 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.

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 Si02. 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 е не может выполнять функцию барьерного слоя для атомов легирующих примесей, в первую очередь, бора и фосфора. Поэтому использование поликремневых электродов в сочетании с такими материалами затруднительно. Кроме того, высокое сопротивление сильнолегированных слоев поликремния (>ЮОмкОм-см) препятствует снижению временных задержек в КМОП схемах. В связи с этим, необходим переход к металлическим электродам 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 (ЕЦУ). 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.

Целью 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 не хуже 1-Ю11 см"2 и значением относительной диэлектрической проницаемости к>20.

4. Построить модель формирования затворной структуры Со512-И512/ТЮ2/8Ю2/81 при термообработке системы СоЛЧ/.. ./Со/П/ЗЮг/Зь

5. Исследовать процессы фазообразования в четырехкомпонентной системе Со/Т1/.. ./Со/П/БЮг/Б! в процессе быстрого отжига и определить основные особенности перераспределения компонентов и химических реакций в такой системе.

6. Разработать технологию формирования затворных структур диэлектриком с высоким б 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.

Научная новизна.

1. Экспериментально определены условия формирования слоев подзатворных диэлектриков методом электронно-лучевого испарения, которые обеспечивает низкие значения плотности поверхностных состояний (4-1010 -МО11 см"2) на границах ЪхО^ и НГО2/8ь

2. Разработана технология формирования металлических электродов для затворных структур методом фазового расслоения в четырехкомпонентной системе ТЧ-Со-БьО.

3. Разработана технология формирования затворных структур Со5ь/ТЮ2/8Ю2/51 методом твердофазной диффузии, при этом диэлектрический стек ТЮ^/ЗЮг 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 (('=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 81. 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 кремневой подложки можно формировать границы раздела диэлектрик/Б! с низкой плотностью поверхностных состояний (4-Ю10 -1-Ю11 см2).

2. В процессе быстрого температурного отжига в четырехкомпонентной системе СоЛПЛ-./СоЛП/ЗЮг/З! происходит фазовое расслоение с образованием ТЮг и смеси Со512-Т)512. В результате может быть сформирована затворная структура на основе высокопроводящих силицидов кобальта и титана и диэлектрического стека ТЮг/БЮг, обладающего высокой эффективной диэлектрической проницаемостью (к=25-30).

3. Образование в системе Со/Т!/.. ./Со/Т1/8102/81 в процессе отжиге слоя ТЮ2 на границе "П/БЮт препятствует диффузии атомов кислорода в пленку ТьСо, не позволяя толщине диэлектрического слоя увеличиваться, что позволяет точно контролировать емкость полученных МОП стуктур.

4. Применение многозатворной 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.

Апробация работы.

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» (ICMNE-2005) в Звенигороде в 2005г., 49-ой научной конференции МФТИ (Всероссийская) в 2006 г. Международной конференции «Микро- и наноэлектроника-2007» (ICMNE-2007) в Звенигороде в 2007г., Международной конференции «Микро- и наноэлектроника-2009» (ICMNE-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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель и задачи, охарактеризованы научная новизна, основные защищаемые положения, практическая ценность работы, изложено содержание по главам.

В первой главе проведен анализ материалов для современных МОП транзисторов и новых вертикально- и горизонтально ориентированных транзисторных структур.

Технология изготовления интегральных схем развивается по пути увеличения частоты работы приборов и плотности их размещения на кристалле и, соответственно, уменьшения их характерных размеров.

Из-за высоких значений туннельного тока через диэлектрические слои толщиной менее 1-2нм необходимо применение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Наиболее важными критериями отбора диэлектрических материалов являются высокое значение диэлектрической проницаемости (>15), термостабильность в контакте с кремнием и устойчивость к нагреву до 1000°С в течение 5 сек., высокий потенциальный барьер для электронов и низкая плотность активных дефектов в объеме и на границах диэлектрика. Всем этим требованиям удовлетворяют диоксиды циркония и гафния, а также оксиды лантаноидов.

Одними из наиболее важных параметров диэлектрических слоев для затворных структур являются плотность зарядовых состояний на границе с кремнием и диэлектрическая проницаемость, так как они оказывает существенное влияние на электрофизические характеристики транзисторов. Исследования в этой области говорят о том, что при формировании слоев материалов с высоким е послойным осаждением из газовой фазы сложно достичь значения плотности зарядовых состояний ниже 10и-1012см2, а диэлектрическая проницаемость получается существенно ниже объемных значений. Поэтому необходима разработка технологии, которая позволит улучшить значения этих параметров.

Длина канала МОП транзистора на данный момент достигла 27нм и продолжает уменьшаться. В связи с этим возникает проблема, связанная с необходимостью применения прецизионной литографии: иммерсионной фотолитографии с длиной волны 193нм, фотолитографии крайнего ультрафиолетового диапазона (EUV), рентгеновской, ионно- или электронно-лучевой литографии. Структуры транзисторов с горизонтальным расположением канала, в том числе транзисторы на КНИ подложках, двухзатворные структуры, транзисторы на основе тонких кремневых балок, многозатворные транзисторы, демонстрируют высокие электрофизические характеристики, но технология их формирования, вне зависимости от особенностей структур, требует использования прецизионной литографии. С другой стороны, короткоканальные эффекты в приборах с вертикальным расположением канала существенно ухудшают электрофизические характеристики.

Во второй главе рассматриваются методические вопросы формирования тонких пленок методами электронно-лучевого соиспарения в высоком вакууме и реактивного магнетронного распыления, а также исследования структур методами CV- и IV-метрии, резерфордовского обратного рассеяния (POP), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и времяпролетной вторичной ионной масс-спектрометрией (ВИМС).

Экспериментальные структуры Me/Zr02/Si и Me/HftVSi формировались методом электронно-лучевого испарения при комнатной температуре или на нагретые подложки в установке UMS-500 Р (Balzers). В качестве тестовых подложек использовались пластины p-Si (100) диаметром 100мм. Давление в камере не превышало 2-10"8Торр. Скорость осаждения поддерживалась постоянной и находилась в диапазоне от 0,2 до 1,5нм/с.

Толщины диэлектрических пленок, измеренные с помощью кварцевых микровесов, составляли от 3 до 20нм, верхнего металлического электрода -приблизительно ЮОнм.

Формирование образцов Si/Co/Ti/.-./Co/Ti/SiCb/Si для исследования явления фазового расслоения в такой четырехкомпонентной системе осуществлялось методами термического окисления и реактивного магнетронного распыления. На поверхности Si (100) подложек диаметром 75мм с помощью отжигов при температуре 800-1200°С в атмосфере кислорода формировались слои SiCb толщиной ~10нм. Вслед за этим на поверхности слоя оксида кремния методом реактивного магнетронного распыления при комнатной температуре формировалась многослойная структура Co/Ti и слой Si. Давление в камере не превышало Распыление титана, кобальта и кремния осуществлялось из трех независимых мишеней. Титан распылялся на магнетроне постоянного тока, кобальт и кремний - на ВЧ-магнетронах.

Исследование образцов Me/ZrCb/Si и Me/HfCb/Si проводилось методами CV- и IV-метрии, ПЭМ и POP. Для исследования вольтфарадных характеристик МДП структур, сформированных на высокоомных подложках, была построена расчетная модель. Исследование образцов Si/Co/Ti/.. ./Co/Ti/SiOi/Si проводилось после быстрых высокотемпературных отжигов методом времяпролетной масс-спектрометрии.

В третьей главе представлены результаты исследования процесса формирования пленок диоксидов циркония и гафния на подложках Si(100) методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме.

Структуры Mo/Zr02 и W/Zr02 характеризуются сходными значениями работ выхода, близкими к середине запрещенной зоны кремния, и

особенностями границ диэлектрик/полупроводник. Анализ вольтфарадных характеристик показывает, что разница между электрофизическими свойствами затворов с электродом из молибдена (работа выхода 4,37эВ) и вольфрама (работа выхода 4,5эВ) незначительна и не должна оказывать существенное влияние на работу приборов на основе таких затворных структур.

Рассчитанные на основе вольтфарадных характеристик структур Ме/ггОг^ и Ме/НЮ2/81 с разными толщинами диэлектрических слоев значения плотности зарядовых состояний на границе ггОо/^! и НЮч^

10 10 "У

составляют 3,7-10 см " и 9,9-10 см ", соответственно. Исследование структур методом резерфордовского обратного рассеяния (рис. 1), а также анализ вольтфарадных характеристик, полученных для образцов, сформированных на подложках отожженных при разных температурах (рис.2), показали, что на границе диэлектрика с полупроводником образуется тонкий слой 510,.

Номер канала

Рис. 1. Спектр POP для структур Mo/HflVSi, сформированных на подложках отожженных при разных температурах.

1600J

Температура подложки ~300°С

О

400

800

Установлено, что отжиг подложки при температуре 750°С позволяет существенно сократить толщину промежуточного слоя.

С другой стороны, полученные значения эффективной диэлектрической проницаемости стеков ЪсОг1$\Ох и НГО2/8ЮХ, составляющие 18-21 (1,6-108-1,9-108Ф/см), говорят о том, что при электроннолучевом испарении формируются тонкие пленки диоксидов циркония и гафния с диэлектрической проницаемостью близкой к объемным значениям. Анализ вольтамперных характеристик (рис.3), говорит о том, что при электронно-лучевом испарении основным механизмом утечки через диэлектрические пленки является прямое туннелирование. Значения токов утечки через пленки 7лОг и НЮ2 толщиной 3 и 5нм, соответственно, при напряжении на затворе 1В составляют 9- 10"7-2-10"6А/см2.

Рис. 2 Вольтфарадные характеристики МОП структур с толщиной диэлектрического слоя 16нм при различных температурах отжига подложки.

10ц

|ю-5 <

1=10-6

м

в-

¿Ьо-8

10-'

/ 1*....... "

/ /

-2 -1

0 1

Напряжение, В

-1 о 1

Напряжение, В

Рис. 3 Вольтамперные характеристики структур Мо/2г02(Знм)/51 (слева) и Мо/НГО2(5нм)/81 (справа).

В четвертой главе рассмотрены процессы фазообразования в системе 51/Со/Т1/.../Со/Т1/5Ю2/51 при быстрых термических отжигах. Представлены результаты численного моделирования и экспериментального исследования поведения системы Со/П/.. ./Со/Т1/8Ю2/81 во время отжигов при температурах 750-900°С в течение 1-5с.

Моделирование проводилось на основе уравнения диффузии, в предположении, что коэффициенты диффузии зависят от времени. Предполагалось, что температурная зависимость коэффициентов диффузии описывается уравнением Аррениуса. Начальные значения параметров в уравнении Аррениуса были взяты из результатов работ, посвященных исследованию диффузии в этих материалах. Для описания диффузии в оксидах использовалось соотношение Стокса-Эйнштейна. Предполагалось, что температурная зависимость вязкости описывается эмпирическим уравнением Вёгеля-Фулчера-Тамманна.

Направление и приоритет химических реакций, учитывавшихся при моделировании, определялись в соответствии с энергиями Гиббса при соответствующих температурах. Для учета ионизации молекул, предполагалось, что распределение энергий молекул описывается функцией Больцмана, а порогом ионизации служит также энергия Гиббса.

Результаты моделирования (рис.4) свидетельствуют о том, что в системе Со/Т ¡У.. ./СоЛЧ/БЮо/Б! происходит фазовое расслоение с образование диоксида титана и силицидов титана и кобальта за счет диффузии титана в слой БЮз и кремния, образовавшегося при распаде БЮг, к поверхности. Согласно результатам моделирования, в процессе отжига при температуре 750°С в течение 1с, образуется слой ТЮ2, толщиной несколько ангстрем.

4»102-

Начальная граница Формирование ТЮ2 \

34 О22

о й

| 2*1022

а,

н

я

<и

а

о ЫО22

8Ю2

VI

81

Со — Т)

— БЮ2

- - ТЮ2 -• 0^2

/ Г I ч

! 1/

/г

У

■п/зю.

Со

Формирование СоБ12;

ТЮ2

/

Тг

-СоБЬ

10

11

12

Расстояние от границы 8Ю2/81, нм

13

Рис. 4 Рассчитанные концентрации компонентов после отжига при 750°С в течение 1с.

Отсутствие диффузии кислорода к поверхности говорит о том, что образование ТЮ2 препятствует перераспределению атомов О. Результаты моделирования показывают, что для завершения процесса силицидообразования на поверхности оксида необходим дополнительный источник кремния. Также в этой главе представлены экспериментальные результаты, которые подтверждают основные выводы, сделанные на основе моделирования. Диффузия титана (рис.5, слева), согласно этим результатам, происходит на глубину порядка 4нм. Диффузии кислорода на поверхность в такой четырехкомпонентной системе не происходит (рис.5, справа). Дополнительный источник кремния - слой на поверхности, ускорил процесс силицидообразования.

Рис.5 Зависимости интенсивности ВИМС для атомов титана (слева) и кислорода (справа) до и после отжигов.

Таким образом, можно сделать вывод, что в процессе быстрого температурного отжига в четырехкомпонентной системе Со/ТУ.../Со/Л/БЮг/Б! происходит фазовое расслоение с образованием слоев ТЮ2 и смеси Со5ь-Т1812. В результате может быть сформирована затворная

структура на основе диоксида титана, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью (к=50-80), и силицидов кобальта и титана.

В то же самое время, образование в системе СоЛП/.. ./СоЛП/ЗЮг/Б! в процессе отжиге слоя ТЮт на границе И/БЮт приводит к тому, что диффузии атомов кислорода в пленку И-Со не происходит. В результате толщина диэлектрического слоя не увеличивается. Поэтому технология формирования затворных структур Со812-Т1812/ТЮ2/8Ю2/81, основанная на фазовом расслоении во время быстрого высокотемпературного отжига, позволяет точно контролировать толщину слоя подзатворного диэлектрика, то есть емкость полученных МОП структур.

В пятой главе предложена структура вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов (рис.1).

Диэл. С ВЫСОКИМ С

Исток

8-слой р+ Р-

8-слой р+ Р"

пН

Сток

Рис. 6 Структура вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов.

Вертикальное расположение позволяет формировать транзистор с помощью фотолитографии с длиной волны менее ЗООнм. Подавая напряжение на боковые затворы, можно формировать области с высокой

концентрацией основных носителей, которые играют роль динамических стока и истока. Если концентрация легирующей примеси в дельта-слоях в канале высокая, то эти области - достаточно узкие, и такой подход позволяет в значительной степени подавить короткоканальные эффекты.

Предложены две возможные технологии формирования: с проведением процесса твердофазной диффузии на ранней стадии формирования прибора или на последней стадии. Преимуществом первой технологии является самосовмещение элементов транзисторов относительно различных областей легирования канала, второй - то, что слой подзатворного диэлектрика не подвергается высокотемпературным отжигам. Обе технологии предполагают использование фотолитографии с длиной волны 248нм.

Моделирование работы предложенного прибора проводилось в специализированном программном пакете ISE TCAD (модули DESSIS и SPARTA). Использовался самосогласованный метод Монте-Карло с начальными распределениями плотности носителей и рассчитанными с помощью дрейфово-диффузионной модели. Предполагалось, что частота рассеяния носителей задается через обратное время релаксации. Модели и параметры, использовавшиеся в процессе моделирования, а также обоснование их выбора приводится в той же главе работы.

Отличие в значениях тока стока в открытом и закрытом состояниях (рис.3, слева) составляет приблизительно три порядка, что подтверждает эффективность примененного профиля легирования и динамических областей стока и истока. Полученные значения тока насыщения при напряжении 1В на затворе составили 0,8мА/мкм, напряжения насыщения -0,4В. Значения тока утечки из истока в сток ISd составили 0,ЗмкА/мкм. Исследование переходных характеристик (рис.3, справа) показало, что время

установления режима при переключении напряжения на центральном затворе составляет приблизительно 0,2пкс. Это соответствует частоте переключения транзистора 5ТГц.

10-'

2 а

|10Л

8н>

а

15 ю-

1-6.

V -V =1В

центр.загв. оок.мтв,

V =0В; * =1В

центр.затв. ' бок.эатв.

Время, пкс

12

1,0

5

2 0,8

Я

0,6

И

ь и 0,4

сз

а О 0,2

Н

0,0 0

0,2

0,4 0,6 0,8 Время, пкс

1,0

Рис.7 Зависимости тока в открытом и закрытом состояниях транзистора от времени.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованы сверхтонкие слои диоксидов циркония и гафния, сформированные методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме (2-10"8Торр). Показано, что такой метод формирования позволяет получить значения зарядовых состояний на границе раздела диэлектрик/полупроводник 3,7-Ю10см"2 и 9,9-Ю10см"2 для 2г02 и НЮ2, соответственно. При осаждении пленок диэлектриков с высоким е методом электронно-лучевого испарения толщина промежуточного слоя 8Ю2 не увеличивается, а сами диэлектрические пленки, в отличие от сформированных послойным осаждением из газовой фазы, получаются плотными с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 20-25 (1,8-108-

2,3-108Ф/см). При этом токи утечки через выращенные диэлектрические слои и стеки при напряжении 1В составляют 10'5-10"6 А/см2.

2. Быстрый высокотемпературный отжиг (при 750-900°С в течение 1-5с) четырехкомпонентной системы БУСоУТ!/.. ./Со/Т1/8103/81 приводит к фазовому расслоению. При этом образуются слои смеси Со5ь-"П8ь и ТЮ2. При температуре отжига менее 800°С образование силицида титана не происходит. При более высоких температурах скорость диффузии атомов титана в верхний слой кремния резко возрастает. При этом происходит образование Полученная в процессе отжига структура с силицидным электродом СоЗь-ИБЬ и диэлектрическим стеком ТЮ2/5Ю2 (к=40-50) может быть использована в качестве затвора МОП транзистора.

3. Показано, что образование слоя диоксида титана на границе Ть^Ю: препятствует диффузии атомов кислорода из пленки диоксида кремния в металлические пленки. Атомы титана, диффундирующие из металлической пленки, связывают ионы кислорода, благодаря исключительно низкой энергии образования молекулы ТЮ2 (/Юовр =-929,12 кДж/моль). Это явление позволяет точно контролировать емкость затворных структур, полученных в процессе отжига.

4. Показано, что применение в затворной структуре вертикального МОП транзистора дополнительных боковых электродов, контролирующих толщину динамических областей стока и истока, а также концентрацию носителей в них, и специального профиля легирования в виде стека из двух сильнолегированных (1018-1019см2) дельта-слоев толщиной 7-10нм и почти нелегированного (1014см-2) слоя между ними позволяет в значительной степени подавить проявление короткоканальных эффектов.

5. Установлено, что, благодаря низкой степени легирования в области центрального затвора прибор может работать в баллистическом режиме, в результате чего частота его переключения может достигать 5ТГц. За счет вертикального расположения канала, предложенный в работе прибор, может быть сформирован с помощью фотолитографии оптического или ультрафиолетового диапазонов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) I.A.Horin, A.D.Krivospitsky, A.A.Orlikovsky, A.E.Rogozhin, A.G.Vasiliev "Silicide/high-k dielectric structures for nanotransistor gates", Proceedings of SPIE V.6260, Micro- and Nanoelectronics, p.126-133,2005.

2) I.A.Horin, A.A.Orlikovsky, A.E.Rogozhin, A.G.Vasiliev "Simulation of the vertical MOSFET with electrically variable source-drain junctions", Proceedings of SPIE V.6260, Micro- and Nanoelectronics, p.542-549,2005.

3) Васильев А.Г., Рогожин A.E., Хорин И.А. «Использование силицидов и high-k подзатворных диэлектриков в затворных структурах вертикальных транзисторов с управляемой глубиной переходов», 49-ая научная конференция МФТИ, Тезисы докладов, Москва, МФТИ(ГУ), 2006.

4) D. G. Drozdov, I. A. Khorin, V. В. Kopylov, A.D.Krivospitsky, A.A.Orlikovsky, A.E.Rogozhin, A.G.Vasiliev "Formation of thin Zr02 layers for nanotransistor gate structures by electron beam evaporation", Proceedings of SPIE V.7025, Micro- and Nanoelectronics, 2008.

5) A. E. Rogozhin, I. A. Khorin, D. G. Drozdov, A.G.Vasiliev "Modeling of vertical transistor with electrically variable junctions in ISE TCAD", Proceedings of SPIE V.7025, Micro- and Nanoelectronics, 2008.

6) А. Г. Васильев, Р. А. Захаров, А. А. Орликовский, А. Е. Рогожин, М. С. Сонин, И. А. Хорин «Электрофизические характеристики затворных структур с НЮ2, сформированных методом электронно-лучевого испарения», Микроэлектроника, №5, 2009.

7) А.Е. Rogozhin, I.A Khorin, V.V. Naumov, A.A. Orlikovsky, V.V. Ovcharov, V.I. Rudakov, A.G. Vasiliev "CoSi2/Ti02/Si02/Si gate structure formation", ICMNE-2009, Moscow, October 5th-9th, 2009, 01-23.

8) Denisenko Yu.I., Gusev V.N., Khorin A.I., Orlikovsky A.A., Rogozhin A.E., Rudakov V.I., Vasiliev A.G. "Hf-based barrier layers for Cu-metallization", ICMNE-2009, Moscow, October 5th-9th, 2009, P2-20.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] J. Km, S. Kim, H. Jeon, M. Cho, K. Chung, C. Bae. Characteristics of Hf02 thin films grown by plasma atomic layer deposition// Appl. Phys. Lett. V.87 (2005) P.053I08.

[2] R. Sreenivasan, P. Mclntyre, H. Kim, K. Saraswat. Effect of impurities on the fixed charge of nanoscale Hf02 films grown by atomic layer deposition// Appl. Phys. Lett. V.89 (2006) P. 112903.

[3] J. Conley, Jr. Ono, Y. Ono, R. Solanki, G. Stecker, W. Zhuang. Electrical properties of Hf02 deposited via atomic layer deposition using Hf(N01)4 and H20// Appl. Phys. Lett. V.82 (2003) №.20 P.3508-3510.

[4] D. McNeill, S. Bhattachaiya, H. Wadsworth, F. Ruddell, S. Mitchell, B. Armstrong, H. Gamble. Atomic layer deposition of hafnium oxide on silicon and germanium substrates// J. Mater. Sci. V.19 (2008) P. 119-123.

[5] K. Cherkaoui, S. Monaghan, M. Negara, M. Modreanu, P. Hurley, D. O'Connell, S. McDonnell, G. Hughes, S. Wright, R. C. Barklie, P. Bailey, T.

Noakes. Electrical, structural, and chemical properties of НЮ2 films formed by electron beam evaporation// J. Appl. Phys. V.104 (2008), P.064113.

[6] J. Robertson. High-dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors// Rep. Prog. Phys. V.69 (2006), P.327-396

[7] А.Г. Васильев, P.A. Захаров, B.B. Родатис, A.B. Лобинцов, A.A. Орликовский. Фазообразование в многокомпонентных системах Ti-Co-Si-N и Ti-Co-N при поверхностно-диффузионном механизме формирования тонких пленок на Si и Si02// Микроэлектроника Т.ЗО (2001), № 5, С.345-352.

ВВЕДЕНИЕ.

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.

Выводы.

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

Ме/НЮ2/81.

Выводы.

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!.

Выводы.

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.

Выводы.

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.

Научная новизна.

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.

Апробация работы.

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.

Выводы

1. Разработана структура вертикального транзистора с управляемой глубиной переходов, позволяющая без использования высокоточной литографии формировать прибор с длиной канала 15-20нм.

2. Построена физическая модель разработанной структуры, с помощью специализированного программного пакета моделирования физических процессов ISE TCAD рассчитаны электрофизические характеристики прибора.

3. С помощью метода Монте-Карло получены сравнительно высокие значения тока в открытом состоянии (~0,7мА/рм). Напряжение на стоке, при котором достигалось насыщение, составляет около 400мВ.

4. Рассчитанное значения тока утечки из истока в сток IsD.ieak составило 0,35рА/рм, время переключения устройства -0,2 пкс (это соответствует частоте переключения 5000 GHz).

Заключение

В заключении диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Исследованы сверхтонкие слои диоксидов циркония и гафния, сформированные методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме (2- 10~8Торр). Показано, что такой метод формирования позволяет получить значения зарядовых состояний на границе раздела диэлектрик/полупроводник 3,7-Ю10см"2 и 9,9-10юсм"2 для 7л02 и НГО2, соответственно. При осаждении пленок диэлектриков с высоким е методом электронно-лучевого испарения толщина промежуточного слоя БЮо не увеличивается, а сами диэлектрические пленки, в отличие от сформированных послойным осаждением из газовой фазы, получаются плотными с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 20-25 (1,8-108о

2,3-10 Ф/см). При этом токи утечки через выращенные диэлектрические слои

5 6 о и стеки при напряжении 1В составляют 10" -10" А/см".

2. Быстрый высокотемпературный отжиг (при 750-900°С в течение 1 -5с) четырехкомпонентной системы З^/СоЛЛ/. ./Со/Т1/8Ю2/81 приводит к фазовому расслоению. При этом образуются слои смеси Со812-гП812 и ТЮг. При температуре отжига менее 800°С образование силицида титана не происходит. При более высоких температурах скорость диффузии атомов титана в верхний слой кремния резко возрастает. При этом происходит образование Т1812. Полученная в процессе отжига структура с силицидным электродом Со812-Т1812 и диэлектрическим стеком ТлСЬ/ЗЮо (к=40-50) может быть использована в качестве затвора МОП транзистора.

3. Показано, что образование слоя диоксида титана на границе ТЧ/БЮг препятствует диффузии атомов кислорода из пленки диоксида кремния в металлические пленки. Атомы титана, диффундирующие из металлической пленки, связывают ионы кислорода, благодаря исключительно низкой энергии образования молекулы ТЮ2 (ЛС0бр =-929,12 кДж/моль). Это явление позволяет точно контролировать емкость затворных структур, полученных в процессе отжига.

4. Показано, что применение в затворной структуре вертикального МОП транзистора дополнительных боковых электродов, контролирующих толщину динамических областей стока и истока, а также концентрацию носителей в них, и специального профиля легирования в виде стека из двух сильнолегированных (1018-1019см~2) дельта-слоев толщиной 7-10нм и почти нелегированного (1014см~2) слоя между ними позволяет в значительной степени подавить проявление короткоканальных эффектов.

5. Установлено, что, благодаря низкой степени легирования в области центрального затвора прибор может работать в баллистическом режиме, в результате чего частота его переключения может достигать 5ТГц. За счет вертикального расположения канала, предложенный в работе прибор, может быть сформирован с помощью фотолитографии оптического или ультрафиолетового диапазонов.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.ф-м.н., проф. Васильеву А.Г. за помощь и поддержку при выполнении работы, директору ФТИАН академику Орликовскому A.A. за постоянное внимание к работе, а также с.н.с. ФТИАН к.ф.-м.н. Хорину И.А. за ценные дискуссии и помощь при выполнении работы. Автор выражает признательность всему коллективу лаборатории МССП за создание творческой деловой атмосферы в процессе выполнения работы, а также н.с. ФТИАН Захарову P.A. за помощь в проведении исследований методом резерфордовского обратного рассеяния, в.н.с. ФТИАН д.ф.-м.н. Рудакову В.И. за помощь в организации измерений методом ВИМС с времяпролетным масс-анализатором.

1. J. Kim, S. Kim, H. Jeon, M. Cho, K. Chung, C. Bae. Characteristics of НЮ2 thin films grown by plasma atomic layer deposition// Appl. Phys. Lett. V.87 (2005) P.053108.

2. R. Sreenivasan, P. Mclntyre, H. Kim, K. Saraswat. Effect of impurities on the fixed charge of nanoscale НГО2 films grown by atomic layer deposition// Appl. Phys. Lett. V.89 (2006) P. 112903.

3. J. Conley, Jr. Ono, Y. Ono, R. Solanki, G. Stecker, W. Zhuang. Electrical properties of Hf02 deposited via atomic layer deposition using Hf(NOs)4 and H20// Appl. Phys. Lett. V.82 (2003) №.20 P.3508-3510.

4. D. McNeill, S. Bhattacharya, H. Wadsworth, F. Ruddell, S. Mitchell, B. Armstrong, H. Gamble. Atomic layer deposition of hafnium oxide on silicon and germanium substrates//J. Mater. Sci. V.19 (2008) P. 119-123.

5. J. Robertson. High-dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors// Rep. Prog. Phys. V.69 (2006), P.327-396

6. J. Robertson, High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors// Rep. Prog. Phys., 2006, P. 327-396.

7. J. Robertson, Band offsets of wide band gap oxides and implications for future electronic devices// J. Vac. Sci. Technol. B, 2000, V.18, P. 1785.

8. K.J. Hubbard and D.G. Schlom, Thermodynamic Stability of Binary Oxides in Contact with Silicon//J. Mater. Res., 1996, V. 357, P. 331-336.

9. D.G. Schlom and J.H. Haeni, A Thermodynamic Approach to Selecting Alternative Gate Dielectrics// MRS Bulletin, 2002, V. 27, P. 198-204.

10. M. Copel, M. Gribelyuk, and E. Gusev, Structure and stability of ultrathin zirconium oxide layers on Si(001)// Appl. Phys. Lett., 2000, V.76, P. 436.

11. J.-Y. Gan, Y. C. Chang, T. B. Wu, "Dielectric property of (Ti02)x -(Ta205)i-x thin films", Applied Physics Letters, p. 332, 1998.

12. S. Ohmi, C. Kobayashi, I. Kashiwagi, C. Ohshima et al., "Characterization of La2C>3 and Yb203 thin films for high-k gate insulator application" J. Electrochem. Soc., p. 150, 2003.

13. M. R. Visokay, J. J. Chambers, A. L. P. Rotondaro, A. Shanware, L. Colombo, Application of HfSiON as a gate dielectric material// Appl. Phys. Lett., 2002, V.80, P. 3183-3185.

14. B. H. Lee, L. Kang, R. Nieh, W.-J. Qi, J. C. Lee, Thermal stability and electrical characteristics of ultrathin hafnium oxide gate dielectric reoxidized with rapid thermal annealing// Appl. Phys. Lett., 2000, V.76, P. 1926-1928.

15. H. Kim, A. Marshall, P. C. Mclntyre, K. C. Saraswat, Crystallization kinetics and microstructure-dependent leakage current behavior of ultrathin Hf02 dielectrics: In situ annealing studies// Appl. Phys. Lett., 2004, V.84, P. 2064-2066.

16. H.-S. P. Wong, "Beyond the Conventional Transistor", IBM J. Res.&Dev., p. 133, 2002.

17. J. Robertson, C. W. Chen, Schottky barrier heights of tantalum oxide, barium strontium titanate, lead titanate, and strontium bismuth tantalite// Appl. Phys. Lett., 1999, V.74, P. 1168-1170.

18. W. Tsai, R. J. Carter, H. Nohira, M. Cay max, T. Conard, V. Cosnier, S. DeGendt, M. Heyns, J. Petry, O. Richard, W. Vandervorst, E. Young, C. Zhao,

19. J. Maes, M. Tuominen, W. H. Schulte, E. Garfunkel, T. Gustafsson, Surface preparation and interfacial stability of high-k dielectrics deposited by atomic layer chemical vapor deposition// Microelectronic Engineering, 2003, V.65, P. 259-272.

20. J. Robertson, Interfaces and defects of high-K oxides on silicon// Solid State Electronics, 2005, V.48, P. 283.

21. E. Gusev, D. Buchanan, E. Cartier, A. Kumar et al., "Ultrathin High-k Gate Stacks for Advanced CMOS Devices," IEDM Tech. Digest, p. 451, 2001.

22. M. Fischetti, D. Neumayer, E. Cartier, Effective Electron Mobility in Si Inversion Layers in MOS Systems with a High- Insulator: The Role of Remote Phonon Scattering// J. Appl. Phys., p. 4587, 2001.

23. J.-P. Maria, D. Wicaksana, A. I. Kingon, B. Busch, H. Schulte, E. Garfunkel, T. Gustafsson, High temperature stability in lanthanum and zirconia-based gate dielectrics// J. Appl. Phys., 2001, V.90, P.3476.

24. S. Stemmer, Y. Li, B. Foran, P. S. Lysaght, S. K. Streiffer, P.Fuoss, Soenke Seifert, Grazing-incidence small angle x-ray scattering studies of phase separation in hafnium silicate films// Appl. Phys. Lett., 2003, V.83, P.3141.

25. R. M. C. de Almeida, J. R. Baumvol, Reaction-diffusion in high-k dielectrics on Si // Surf. Sci. Rep., 2003, V.49, P. 1-114.

26. S. Ferrari and G. Scarel, Oxygen diffusion in atomic layer deposited Zr02 and Hf02 thin films on Si (100)// J. Appl. Phys., 2004, V.96, P. 144.

27. M. Copel and M. C. Rcuter, Decomposition of interfacial SiOo during Hf02 deposition// Appl. Phys. Lett., 2003, V.83, P.3398.

28. G. D. Wilk, D. A. Muller, Correlation of annealing effects on local electronic structure and macroscopic electrical properties for Hf02 deposited by atomic layer deposition// Appl. Phys. Lett., 2003, V.83, P.3984.

29. H. S. Baik, M. Kim, G.-S. Park, S. A. Song, M. Varela, A. Franceschetti, S. T. Pantelides, Interface structure and non-stoichiometry in Hf02 dielectrics// Appl. Phys. Lett., 2004, V.85, P.672.

30. M. M. Frank, Y. J. Chabal, M. L. Green, A. Delabie, B. Brijs, G. D. Wilk, M.-Y. Ho, Enhanced initial growth of atomic-layer-deposited metal oxides on hydrogen-terminated silicon// Appl. Phys. Lett., 2003, V.83, 740.

31. G. Lucovsky, Transition from thermally grown gate dielectrics to deposited gate dielectrics for advanced silicon devices: A classification scheme based on bond ionicity// J. Vac. Sci., 2001, V. 19, Issue 4, P. 1553-1561.

32. A. S. Foster, F. Lopez Gejo, A. L. Shluger, R. M. Nieminen, Vacancy and interstitial defects in hafnia// Phys. Rev. B, 2002, V. 65, P. 174117.

33. S. Zafar, A. Callegari, E. Gusev, M. V. Fischctti, Charge trapping related threshold voltage instabilities in high permittivity gate dielectric stacks// J. Appl. Phys., 2003, V. 93, P. 9298.

34. A. Stesmans and V. V. Afanas'ev, Si dangling-bond-type defects at the interface of (100)Si with ultrathin Hf02// Appl. Phys. Lett., 2003, V. 82, P. 4074.

35. J. Matta, J.-F. Lamonier, E. Abi-Aad, E. A. Zhilinskaya, A. Aboukai's, Transformation of tetragonal zirconia phase to monoclinic phase in the presence of Fe3+ ions as probes: an EPR study// Phys. Chem. Chem. Phys., 1999, V. 1, P. 4975.

36. G. Bersuker, P. Zeitzoff, G. Brown, H. R. Huff, Dielectrics for future transistors// Materials Today, 2004, V. 7, Issue 1, P. 26-33.

37. M. Houssa, M. Tuominen, M. Naili, Trap-assisted tunneling in high permittivity gate dielectric stacks// J. Appl. Phys., 2000, V. 87, P.8615.

38. M. V. Fischetti, D. A. Neumayer, E. A. Cartier, Effective electron mobility in Si inversion layers in metal-oxide-semiconductor systems with a high-ft insulator: The role of remote phonon scattering// J. Appl. Phys., 2001, V. 90, P.4587.

39. C. M. Lopez, E. A. Irene, A study of Hf02 film interfaces with Si and Si02// J. Appl. Phys., 2006, V. 99, P. 024101.

40. W.-J.Qi, R. Nieh, B. Hun Lee, L. Kang, Y. Jeon, J.C. Lee, Electrical and reliability characteristics of Zr02 deposited directly on Si for gate dielectric application// Appl. Phys., Lettr., 2000, V. 77, P. 2013.

41. C.K. Ong, S.J. Wang, Pulsed Laser Deposition of Crystalline Oxide on Silicon as Alternative Gate Dielectrics// Lambda Physik, 2002, P. 4.

42. S.J. Wang, C.K. Ong, L.P. You, S.Y. Xu, Epitaxial growth of yittria-stabilized zirconia oxide thin film on natively oxidized silicon wafer without an amorphous layer// Semicond. Sci. Technol., 2000, P. 836.

43. K.Seo, P. C. Mclntyre, H. Kim, K. C. Saraswat, Formation of an interfacial Zr-silicate layer between Zr02 and Si through in situ vacuum annealing// Appl. Phys. Lett., 2005, V. 86, P. 082904.

44. E. Bucher, S. Schulz, M. Lux-Steiner, P. Munz, U. Gubler, F. Greuter, Work function and barrier heights of transition metal silicide// Appl. Phys. A., 1986, V. 40, P.71.

45. X.X. Qua, P.D. Fooa, S.M. Xub, The development of Ti silicide on poly gate structures with oxidized sidewall and application in a novel RF LDMOSFET// Mater. Sci. Semicond. Proc., 2002, V.5, P.l.

46. Q. T. Zhao, E. Rije, St. Lenk, H. Bay, and S. Mantl, Full silicidation process for making CoSi2 on Si02// Appl. Phys. Lettr., 2004, V.84, P.3292.

47. J.A. KM, A. Lauwersa, O. Chamirianb, M. Van Dale, A. Akheyara, M. De Pottera, R. Lindsay, K. Maex, Ni- and Co-based silicides for advanced CMOS applications// Microelec. Eng., 2003, V.70, P. 158.

48. J. Liua, D. L. Kwong, Investigation of work function adjustments by electric dipole formation at the gate/oxide interface in preimplanted NiSi fully silicided metal gates// Appl. Phys. Lettr., 2006, V.88, P. 192111.

49. B. Lee, L. Kang, R. Nieh, W.-J. Qi, and J. C. Lee, Thermal stability and electrical characteristics of ultrathin hafnium oxide gate dielectric reoxidized with rapid thermal annealing// Appl. Phys. Lettr., 2000, V.76, P. 1926.

50. G. Shahidi, A. Ajmera, F. Assaderaghi et al,Mainstreaming of the SOI Technology// IEEE International SOI Conference, 1999.

51. O. Sang-Hyun, Physics and Technologies of Vertical Transistors// Dissertation, Stanford University, 2001.

52. P. M. Solomon, Nano-technology and the Post CMOS world// IBM J. Watson Res. Ctr., 2004.

53. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2008 Edition, SIA, http ://p ublic. itrs .net.

54. C. Fiegna, H. Iwai, T. Wada et al., A New Scaling Methodology for the 0.1-0.025m MOSFET// Symposium on VLSI Technology, Digest of Technical Papers, p. 33, 1992.

55. Y. Taur, C. Wann, and D. J. Frank, 25 nm CMOS Design Considerations// 1EDM Tech. Digest, p.789, 1998.

56. X. Huang, W.-C. Lee, C. Ku et al., Sub 50-nm FinFET: PMOS// IEDM Tech. Digest, p.67, 1999.

57. D. Fried, A. Johnson, E. Nowak, J. Rankin, and C. Willets, A Sub-40 nm Body Thickness N-Type FinFET// Proceedings of the Device Research Conference, 2001

58. Y.-K. Choi, N. Lindert, P. Xuan et al., FinFET Process Technology for Nanoscale CMOS// IEDM Tech.Digest, p. 421, 2001.

59. R. Chau, J. Kavalieros, B. Roberds et al., 30 nm Physical Gate Length CMOS Transistors with 1.0 ps n-MOS and 1.7 ps p-MOS Gate Delays// IEDM Tech. Digest, 2000.

60. J Sone, J Fujita, Y Ochiai et al., Nanofabrication toward sub-10 nm and its application to novel nanodevices// Nanotechnology, p. 135, 1999.

61. M. Kittler, R. Granzner, F. Schwierz, W. Henschel, Twahlbrink, H. Kurz Simulation and optimization of EJ-MOSFETs// Solid-State Electronics, 2003.

62. H. Noda, F. Murai, S. Kimura, Threshold voltage controlled 0.1-mkm MOSFET utilizing inversion layer as extreme shallow source/drain// IEDM Tech. Dig. 123.

63. W. Henschel, T. Wahlbrink, Y. M. Georgiev, M. Lemme, T. Mollenhauer, B.Vratzov, Electrical characterization of 12nm EJ-MOSFETs on SOI substrated// Solid-State Electronics, 2004.

64. W. Henschel, T. Wahlbrink, Y. M. Georgiev, M. Lemme, T. Mollenhauer, B.Vratzov, Fabrication of 12nm electrically variable shallow junction MOSFET on SOI substrate// J. Vac. Sci. Technol., 2003.

65. T.J. Rodgers and J.D. Mcindl, VMOS: High-speed TTL compatible MOS logic//J. Solid-State Circuits, vol. SC-9, p. 239, 1974.

66. J.M. Hergenrother, D. Monroe, F.P. Klemcns et al., The Vertical Replacement-Gate (VRG) MOSFET:A 50-nm Vertical MOSFET with Lithography-Independent Gate Length// Proceedings IEDM, 1999.

67. J.M. Hergenrother, G.D. Wilk, T. Nigam, F.P. Klemens et al., 50 nra Vertical Replacement-Gate (VRG) nMOSFETs with ALD Hf02 and A1203 Gate Dielectrics// Int. Electron Device Meeting Tech. Digest, 2001.

68. K. W. Boer, Survey of Semiconductor Physics: Barriers, junctions, surfaces, and devices, Van Nostrand Reinhold, New-York, 1992.

69. A. Rohatgi, J.R. Davis, R.H. Hopkins, P.G. McMullin, A study of grown-in impurities in silicon by deep-level transient spectroscopy// Solid-State Electronics, 1983, V. 26, P. 1039.

70. S. Hocine, D. Mathiot, Titanium diffusion in silicon// Appl. Phys. Lett., 1988, V. 53, P.1269-12.

71. S. Kuge, H. Nakashima, Solubility and Diffusion Coefficient of Electrically Active Titanium in Silicon// Jpn. J. Apppl. Phys., 1991, V. 30, P. 2659.

72. H. Nakashima, K. Hashimoto, Diffusivities of 3D Transition-Metal Impurities in Silicon//Mater. Sci. Forum, 1992, V. 83-87, P. 227.

73. H. Nakashima, T. Sadoh, H. Kitagawa, K. Hashimoto, Diffusion and Electrical Properties of 3d Transition-Metal Impurity Series in Silicon// Mater. Sci. Forum, 1994, Y. 143-147, P. 761.

74. D. L. Beke, Diffusion in Semiconductors and Non-Metalic Solids// Springer, 1998.

75. A. Appelbaum, D.L. Malm, S.P. Murarka, Subsurface cobalt diffusion in silicon single crystal from infinitesimally small cobalt diffusion source// J. Vac. Sci. Technol. B, 1987, V. 5, P. 858.

76. J. Utzig, D. Gilles, Diffusion of Cobalt in Silicon// Mater. Sci. Forum, 1989, V. 38-41, P. 729.

77. L. Kalinowski, R. Seguin, Self-diffusion in intrinsic silicon// Appl. Phys. Lett., 1979, V. 35, P. 211.

78. L. Kalinowski, R. Seguin, Erratum: Self-diffusion in intrinsic silicon// Appl. Phys. Lett., 1980, V. 36, P. 171.

79. F. J. Demond, S. Kalbitzer, H. Mannsperger, Study of Si self-diffusion by nuclear techniques// Phys. Lett. A, 1983, V. 93, P. 503

80. S.M. Hu, The shrinkage and growth of oxidation stacking faults in silicon and the influence of bulk oxygen// J. Appl. Phys., 1980, V. 51, P. 3666.

81. D. Hcck, R.E. Tressler, J. Monkowski, The effects of processing conditions on the out-diffusion of oxygen from Czochralski silicon// J. Appl. Phys., 1983, V. 54, P. 5739.

82. U. Kohler, Ch. Herzig, On the Anomalous Self-Diffusion in B.C.C. Titanium// Phys. Status Solidi (b), 1987, V. 144, P. 243.

83. G.B. Gibbs, D. Graham, D.H. Tomlin, Diffusion in titanium and titanium— niobium alloys//Philos. Mag., 1963, V.8, P. 1269.

84. J. RaisLnen, J. Keinonen, Annealing behavior of Si in ion-implanted a-Ti// Appl. Phys. Lett., 1986, V. 49, P. 773.

85. C.A. Pico, M.G. Lagally, Kinetics of titanium silicide formation on single-crystal Si: Experiment and modeling// J. Appl. Phys., 1988, V. 64, P. 4957.

86. H. Mehrer, Diffusion in Solid Metals and Alloys, Springer, 1990.

87. E. Santos, F. Dyment, "Solvent and solute diffusion in b.c.с. Ti—Co and Ti—Mn alloys," Philos. Mag.31(4), 809-827 (1975).

88. K.I. Hirano, R.P. Agarwala, B.L. Averback, M. Cohen, Diffusion in Cobalt-Nickel Alloys//J. Appl. Phys., 1962, V. 33, P. 3049.

89. A. Hassner, W. Lange, Volumenselbstdiffusion in Kobalt Nickel -Legierungen//Phys. Status Solidi (b), 1965, V. 8, P. 77.

90. C.-D. Lien, M.-A. Nicolet, S.S. Lau, Kinetics of CoSi2 from evaporated silicon// Appl. Phys. A, 1984, V. 34, P. 249.

91. P.J. Grundy, P.J. Nolan, An estimate of the diffusion parameters of oxygen and silicon in ß-cobalt from studies of internal oxidation// J. Mater. Sei., 1972, V. 7, P. 1086.

92. R. Brückner, Properties and structure of vitreous silica. I// Journal of Non-Crystalline Solids, 1970, V. 5, P. 123-175.

93. Верятин У.Д., Маширев В.П., Рябцев Н.Г., Тарасов В.И., Рогозкин Б.Д., Коробов И.В. Термодинамические свойства неорганических веществ. -М.: Атомиздат, 1965.

94. С. Fink, К. G. Anil, Н. Geiger, W.Hansch et al., "Optimization of breakdown behaviour and short channel effects in MBE-grown vertical MOS-deviceswith local channel doping", Thin Solid Films, p. 383, 2000.

95. S.-H. Oh, J. M. Hergenrother, D. Monroe, T. Nigam et al., "The Application of SolidSource Diffusion in the Vertical Replacement-Gate (VRG) MOSFET", Sym.Proc., Si Front-End Processing, 2000.

96. S.-H. Oh et al, "50 nm Vertical Replacement-Gate pMOSFETs", IEDM Tech.Digest, 2000.

97. S. E. Laux, M.V.Fischetti, "Transpotr Models for Advanced Device Simulation Truth or Consequences?", IBM Research Report, 1995.

98. F. M. Bufler, A. Schenk, W. Wichtner, "Monte Carlo, Hydrodynamic and Drift-Diffusion Simulation of Scaled Double-Gate MOSFETs", J. Of Computational Electronics 2, p.81, 2003.

99. H. Ananthan, "Nydrodynamic Balance Equations A Review", Elect.1. Изо

100. Transport in Semiconductors, 2004.

101. S.-W. Ко, Y.-D. Kim, H.-K. Jung, "Frequency Characterictics of sub-lOOnm double-gate MOSFET for suppressing short channel effects", Semiconductor Science and Technology, SI34, 2004.

102. A. Schenk, "Unified bulk mobility model for low- and high-field transport in silicon", J. Appl. Phys., 1996.

103. ISE TCAD Release 9.5 Online Manuals, Part 15 "DESSIS", http://www.ise.com.