Thermally stable high effective work function TaCN thin films for metal gate electrode applications

Journal of Applied Physics

Volumn 105, Issue 5, 2009, Pages

  Adelmann, C ^a   Meersschaut, J ^a   Ragnarsson, L A ^a   Conard, T ^a   Franquet, A ^a   Sengoku, N ^a,c   Okuno, Y ^a,c   Favia, P ^a   Bender, H ^a   Zhao, C ^a   O'Sullivan, B J ^a   Rothschild, A ^a   Schram, T ^a   Kittl, J A ^a   Van Elshocht, S ^a   De Gendt, S ^a,d   Lehnen, P ^b   Boissire O ^b   Lohe, C ^b  

^a IMEC   (Belgium)

^b AIXTRON AG   (Germany)

^c IMEC   (Belgium)

^d UNIVERSITY OF LEUVEN   (Belgium)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AGING EFFECTS; AMORPHOUS MATRICES; BULK DENSITIES; BULK METALS; CUBIC STRUCTURES; DIMETHYLAMIDO; EFFECTIVE WORK FUNCTIONS; FILM RESISTIVITIES; GRAZING INCIDENCE X-RAY DIFFRACTIONS; HIGH THERMALS; HIGHER TEMPERATURES; INSULATING SURFACES; METAL GATE ELECTRODES; METAL-OXIDE SEMICONDUCTORS; N CONTENTS; P TYPES; POLY-CRYSTALLINE; POLYCRYSTALLINE GRAINS; RESISTIVITY VALUES; THERMAL DECOMPOSITIONS; THERMALLY STABLES; THICKNESS DEPENDENCES;

GROWTH TEMPERATURE; HAFNIUM COMPOUNDS; MOS DEVICES; MOSFET DEVICES; ORGANIC CHEMICALS; OXIDE FILMS; OXYGEN; PYROLYSIS; REFRACTORY METAL COMPOUNDS; SEMICONDUCTING ORGANIC COMPOUNDS; SEMICONDUCTING SILICON COMPOUNDS; SEMICONDUCTOR DEVICES; SEMICONDUCTOR GROWTH; TANTALUM; TRANSITION METALS; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY; WORK FUNCTION;

AMORPHOUS FILMS;

EID: 62649127461     PISSN: 00218979     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.3078107     Document Type: Article

References (70)

1. International Technology Roadmap for Semiconductors, see www.itrs.net
2. M. T. Bohr, R. S. Chau, T. Ghani, and K. Mistry, IEEE Spectrum, October, 29 (2007). 0018-9235
3. M. Houssa, L. Pantisano, L. -Å. Ragnarsson, R. Degraeve, T. Schram, G. Pourtois, S. De Gendt, G. Groeseneken, and M. M. Heyns, Mater. Sci. Eng. R. 0927-796X 10.1016/j.mser.2006.04.001 51, 37 (2006).
4. D. -G. Park, H. -J. Cho, I. -S. Yeo, J. -S. Roh, and J. -M. Hwang, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.1315346 77, 2207 (2000).
5. Y. C. Yeo, Thin Solid Films 34, 462 (2004).
6. M. A. Quevedo-Lopez, M. R. Visokay, J. J. Chambers, M. J. Bevan, A. LiFatou, L. Colombo, M. J. Kim, B. E. Gnade, and R. M. Wallace, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1846138 97, 043508 (2005).
7. K. S. Krisch, J. D. Bude, and L. Manchanda, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/55.541768 17, 521 (1996).
8. S. -H. Lo, D. A. Buchanan, and Y. Taur, IBM J. Res. Dev. 43, 327 (1999). 0018-8646
9. A. S. Spinelli, A. Pacelli, and A. L. Lacaita, IEEE Trans. Electron Devices 0018-9383 10.1109/16.887023 47, 2366 (2000).
10. C. W. Yang, Y. K. Fang, C. H. Chen, S. F. Chen, C. Y. Lin, C. S. Lin, M. F. Wang, Y. M. Lin, T. H. Hou, C. H. Chen, L. G. Yao, S. C. Chen, and M. S. Liang, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.1592634 83, 308 (2003).
11. C. C. Hobbs, L. R. C. Fonseca, A. Knizhnik, V. Dhandapani, S. B. Samavedam, W. J. Taylor, J. M. Grant, L. G. Dip, D. H. Triyoso, R. I. Hegde, D. C. Gilmer, R. Garcia, D. Roan, M. L. Lovejoy, R. S. Rai, E. A. Hebert, H. H. Tseng, S. G. H. Anderson, B. E. White, and P. J. Tobin, IEEE Trans. Electron Devices 0018-9383 10.1109/TED.2004.829513 51, 971 (2004); C. C. Hobbs, L. R. C. Fonseca, A. Knizhnik, V. Dhandapani, S. B. Samavedam, W. J. Taylor, J. M. Grant, L. G. Dip, D. H. Triyoso, R. I. Hegde, D. C. Gilmer, R. Garcia, D. Roan, M. L. Lovejoy, R. S. Rai, E. A. Hebert, H. H. Tseng, S. G. H. Anderson, B. E. White, and P. J. Tobin, IEEE Trans. Electron Devices 0018-9383 10.1109/TED.2004.829510 51, 978 (2004).
12. M. Saitoh, Y. Kamimuta, T. Saito, K. Sekine, T. Kobayashi, T. Aoyama, M. Koyama, and A. Nishiyama, IEEE Trans. Electron Devices 0018-9383 10.1109/TED.2007.898458 54, 1689 (2007).
13. I. De, D. Johri, A. Srivastava, and C. M. Osburn, Solid-State Electron. 0038-1101 10.1016/S0038-1101(99)00323-8 44, 1077 (2000).
14. A. M. Cowley and S. M. Sze, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1702952 36, 3212 (1965); J. Bardeen, Phys. Rev. 10.1103/PhysRev.71.717 71, 717 (1947). 0031-899X
15. Y. -C. Yeo, P. Ranade, T. J. King, and C. M. Hu, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2002.1004229 23, 342 (2002); Y. -C. Yeo, T. -J. King, and C. Hu, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1521517 92, 7266 (2002).
16. V. V. Afanas'ev and J. Stesmans, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.2799091 102, 081301 (2007).
17. V. V. Afanas'ev, M. Houssa, A. Stesmans, and M. M. Heyns, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1436299 91, 3079 (2002).
18. R. T. Tung, Mater. Sci. Eng. R. 0927-796X 10.1016/S0927-796X(01)00037-7 35, 1 (2001).
19. G. Pourtois, A. Lauwers, J. A. Kittl, L. Pantisano, B. Soree, S. De Gendt, W. Magnus, M. M. Heyns, and K. Maex, Microelectron. Eng. 0167-9317 10.1016/j.mee.2005.04.080 80, 272 (2005).
20. J. K. Schaeffer, D. C. Gilmer, C. Capasso, S. Kalpat, B. Taylor, M. V. Raymond, D. Triyoso, R. Hedge, S. B. Samavedam, and B. E. White, Jr., Microelectron. Eng. 0167-9317 10.1016/j.mee.2007.04.130 84, 2196 (2007).
21. J. Tersoff, Phys. Rev. Lett. 0031-9007 10.1103/PhysRevLett.52.465 52, 465 (1984); W. Mönch, Phys. Rev. Lett. 0031-9007 10.1103/PhysRevLett.58.1260 58, 1260 (1987).
22. H. Y. Yu, C. Ren, Y. -C. Yeo, J. F. Kang, X. P. Wang, H. H. H. Ma, M. -F. Li, D. S. H. Chan, and D. -L. Kwong, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2004.827643 25, 337 (2004).
23. J. Westlinder, T. Schram, L. Pantisano, E. Cartier, A. Kerber, G. S. Lujan, J. Olsson, and G. Groeseneken, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2003.816579 24, 550 (2003).
24. J. Lee, H. Zhong, Y. Suh, G. Heuss, J. Gurganus, B. Chen, and V. Misra, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2002, 359.
25. C. S. Kang, H. J. Cho, Y. H. Kim, R. Choi, K. Onishi, A. Shahriar, and J. C. Lee, J. Vac. Sci. Technol. B 1071-1023 10.1116/1.1603285 21, 2026 (2003).
26. B. Y. Tsui and C. F. Huang, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2003.809528 24, 153 (2003).
27. J. K. Schaeffer, S. B. Samavedam, D. C. Gilmer, V. Dhandapani, P. J. Tobin, J. Mogab, B. Y. Nguyen, B. E. White, Jr., S. Dakshina-Murthy, R. S. Rai, Z. X. Jiang, R. Martin, M. V. Raymond, M. Zavala, L. B. La, J. A. Smith, R. Garcia, D. Roan, M. Koeeke, and R. B. Gregory, J. Vac. Sci. Technol. B 1071-1023 10.1116/1.1529650 21, 11 (2003).
28. C. Ren, H. Y. Yu, J. F. Kang, Y. T. Hou, D. S. H. Chan, M. -F. Li, W. D. Wang, and D. -L. Kwong, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2004.824251 25, 123 (2004).
29. M. S. Joo, B. J. Cho, N. Balasubramanian, and D. -L. Kwong, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2004.836763 25, 716 (2004).
30. Z. Li, T. Schram, L. Pantisano, T. Conard, S. Van Elshocht, W. Deweerd, S. De Gendt, K. De Meyer, A. Stesmans, S. Shamuilia, V. V. Afanas'ev, A. Akheyar, D. P. Brunco, N. Yamada, and P. Lehnen, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.2429730 101, 034503 (2007).
31. Y. Sugimoto, M. Kajiwara, K. Yamamoto, Y. Suehiro, D. Wang, and H. Nakashima, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.2783472 91, 112105 (2007).
32. S. Kubicek, T. Schram, V. Paraschiv, R. Vos, M. Demand, C. Adelmann, T. Witters, L. Nyns, L. -Å. Ragnarsson, H. Y. Yu, A. Veloso, R. Singanamalla, T. Kauerauf, E. Rohr, S. Brus, C. Vrancken, V. S. Chang, R. Mitsuhashi, A. Akheyar, H. -J. Cho, J. Hooker, B. O'Sullivan, T. Chiarella, C. Kerner, A. Delabie, S. Van Elshocht, K. De Meyer, S. De Gendt, P. Absil, T. Y. Hoffmann, and S. Biesemans, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2007, 49.
33. Z. Karim, G. Barbar, O. Boissìre, P. Lehnen, C. Lohe, T. Seidel, C. Adelmann, T. Conard, B. O'Sullivan, L. -Å. Ragnarsson, T. Schram, S. Van Elshocht, and S. De Gendt, ECS Trans. 1938-5862 10.1149/1.2779590 11, 557 (2007).
34. S. Yasuhara, Y. Okuhara, and H. Kadokura, Proceedings of the 66th Symposium on Semiconductors and Integrated Circuits Technology, 2004, pp. 34-37.
35. S. G. Park, Y. K. Lee, S. B. Kang, H. S. Jung, S. J. Doh, J. -H. Lee, J. H. Choi, G. H. Kim, G. H. Choi, U. I. Chung, and J. T. Moon, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2003, 327.
36. T. J. Park, J. H. Kim, J. H. Jang, K. D. Na, C. S. Hwang, J. H. Kim, G. -M. Kim, J. H. Choi, K. J. Choi, and J. H. Jeong, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.2825272 91, 252106 (2007).
37. K. Sugiyama, S. Pac, Y. Takahashi, and S. Motojima, J. Electrochem. Soc. 0013-4651 10.1149/1.2134060 122, 1545 (1975).
38. C. Adelmann, T. Conrad, A. Franquet, B. Brijs, J. Meersschaut, T. Witters, Y. Okuno, S. Van Elshocht, and J. A. Kittl (unpublished).
39. N. P. Barradas, C. Jeynes, and R. P. Webb, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.119524 71, 291 (1997).
40. A. Delabie, G. Pourtois, M. Caymax, S. De Gendt, L. -Å. Ragnarsson, M. M. Heyns, Y. Fedorenko, J. Swerts, and J. W. Maes, J. Vac. Sci. Technol. A 0734-2101 10.1116/1.2713115 25, 1302 (2007).
41. C. Adelmann, A. Franquet, T. Conard, T. Witters, I. Ferain, J. Meersschaut, M. Jurczak, K. De Meyer, J. A. Kittl, and S. Van Elshocht, J. Vac. Sci. Technol. B (unpublished). 0734-211X
42. J. -S. Park, H. -S. Park, and S. -W. Kang, J. Electrochem. Soc. 0013-4651 10.1149/1.1423642 149, C28 (2002).
43. K. Choi, H. N. Alshareef, H. C. Wen, H. Harris, H. Luan, Y. Senzaki, P. Lysaght, P. Majhi, and B. H. Lee, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.2234288 89, 032113 (2006).
44. E. Langereis, H. C. M. Knoops, A. J. M. Mackus, F. Roozeboom, M. C. M. van de Sanden, and W. M. M. Kessels, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.2798598 102, 083517 (2007).
45. D. H. Triyoso, R. Gregory, J. K. Schaeffer, D. Werhob, D. Li, S. Marcus, and G. D. Wilk, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.2817620 102, 104509 (2007).
46. H. O. Pierson, Handbook of Refractory Carbides and Nitrides (Noyes, New York, 1996).
47. K. Frisk, J. Alloys Compd. 0925-8388 10.1016/S0925-8388(98)00582-9 278, 216 (1998).
48. K. Frisk and A. Fernández Guillermet, J. Alloys Compd. 0925-8388 10.1016/0925-8388(96)02197-4 238, 167 (1996).
49. C. Stampfl and A. J. Freeman, Phys. Rev. B 0163-1829 10.1103/PhysRevB.67. 064108 67, 064108 (2003).
50. C. Stampfl and A. J. Freeman, Phys. Rev. B 0163-1829 10.1103/PhysRevB.71. 024111 71, 024111 (2005).
51. A. L. Bowman, J. Phys. Chem. 0022-3654 10.1021/j100905a028 65, 1596 (1961).
52. J. Luo, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 1040-8436 10.1080/ 10408430701364388 32, 67 (2007).
53. S. M. Aouadi, Y. Zhang, P. Basnyat, S. Stadler, P. Filip, M. Williams, J. N. Hilfiker, N. Singh, and J. A. Woollam, J. Phys.: Condens. Matter 0953-8984 10.1088/0953-8984/18/6/013 18, 1977 (2006).
54. D. Martínez-Martínez, J. C. Sánchez-López, T. C. Rojas, A. Fernández, P. Eaton, and M. Belin, Thin Solid Films 0040-6090 10.1016/j.tsf.2004.06.140 472, 64 (2005).
55. J. -S. Park, M. -J. Lee, C. -S. Lee, and S. -W. Kang, Electrochem. Solid-State Lett. 1099-0062 10.1149/1.1353160 4, C17 (2001); H. Kim, A. J. Kellock, and S. M. Rossnagel, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1519949 92, 7080 (2002).
56. L. Yu, C. Stampf, D. Marshall, T. Eshrich, V. Narayanan, J. M. Rowell, N. Newman, and A. J. Freeman, Phys. Rev. B 0163-1829 10.1103/PhysRevB.65.245110 65, 245110 (2002).
57. R. Steinitz and R. Resnick, J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.1708883 37, 3463 (1966).
58. A. F. Yoffe and A. R. Regel, Prog. Semicond. 4, 237 (1960); N. F. Mott and G. A. Davies, Electronic Properties of Noncrystalline Materials, 2nd ed. (Clarendon, Oxford, 1979).
59. K. Fuchs, Proc. Cambridge Philos. Soc. 0068-6735 10.1017/ S0305004100019952 34, 100 (1938); H. Sondheimer, Adv. Phys. 0001-8732 10.1080/00018735200101151 1, 1 (1952).
60. A. F. Mayadas and M. Shatzkes, Phys. Rev. B 1, 1382 (1970).
61. J. R. Hauser and K. Ahmed, AIP Conf. Proc. 449, 235 (1998).
62. R. Jha, J. Gurganos, Y. H. Kim, R. Choi, J. Lee, and V. Misra, IEEE Electron Device Lett. 0741-3106 10.1109/LED.2004.829032 25, 420 (2004).
63. V. S. Kaushik, B. J. O'Sullivan, G. Pourtois, N. Van Hoornick, A. Delabie, S. Van Elshocht, W. Deweerd, T. Schram, L. Pantisano, E. Rohr, L. -Å. Ragnarsson, S. De Gendt, and M. Heyns, IEEE Trans. Electron Devices 0018-9383 10.1109/TED.2006.882412 53, 2627 (2006).
64. C. S. Kang, H. -J. Cho, Y. H. Kim, R. Choi, K. Onishi, A. Shariar, and J. C. Lee, J. Vac. Sci. Technol. B 1071-1023 10.1116/1.1603285 21, 2026 (2003).
65. M. Kadoshima, K. Akiyama, K. Yamamoto, H. Fujiwara, T. Yasuda, T. Nabatame, and A. Toriumi, J. Vac. Sci. Technol. B 1071-1023 10.1116/1.1835311 23, 42 (2005).
66. Y. H. Kim, C. H. Lee, T. S. Jeon, W. P. Bai, C. H. Choi, S. J. Lee, L. Xinjian, R. Clarks, D. Roberts, and D. L. Kwong, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2001, 667.
67. D. -G. Park, T. -H. Cha, K. -W. Lim, H. -J. Cho, T. -K. Kim, and H. -K. Yoo, Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. 2001, 671 (2001).
68. T. J. Park, J. H. Kim, J. H. Jang, K. D. Na, C. S. Hwang, G. -M. Kim, K. J. Choi, and J. H. Jeong, Appl. Phys. Lett. 0003-6951 10.1063/1.2921785 92, 202902 (2008).
69. J. K. Schaeffer, C. Capasso, R. Gregory, D. Gilmer, L. R. C. Fonseca, M. Raymond, C. Happ, M. Kottke, S. B. Samavedam, P. J. Tobin, and B. E. White, Jr., J. Appl. Phys. 0021-8979 10.1063/1.2395649 101, 014503 (2007).
70. B. J. O'Sullivan, R. Mitsuhashi, S. Ito, K. Oikawa, S. Kubicek, V. Paraschiv, C. Adelmann, A. Veloso, H. Y. Yu, T. Schram, S. Biesemans, T. Nakabayashi, A. Ikeda, and M. Niwa, IEEE Electron Device Lett. 29, 1203 (2008). 0741-3106