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Autor:
Biba, Josef 
Originaltitel:
Herstellung und Charakterisierung von high-k Metal-Gate CMOS Transistoren 
Jahr:
2012 
Typ:
Dissertation 
Einrichtung:
Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik 
Betreuer:
Hansch, Walter, Prof. Dr.-Ing. 
Gutachter:
Hansch, Walter, Prof. Dr.-Ing.; Schulze, Jörg, Prof. Dr.-Ing. habil. 
Format:
PDF 
Sprache:
Deutsch 
Schlagworte:
CMOS ; High-k-Dielektrikum ; Metall ; Gate ‹Elektronik› 
Stichworte:
Halbleitertechnologie, Mikroelektronik, CMOS, High-k Metal-Gate 
Übersetzte Stichworte:
semiconductor technology, microelectronics, CMOS, high-k metal-gate 
DDC-Notation:
621.3815284 
Kurzfassung:
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der technologischen Entwicklung eines CMOS (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) Prozesses zur Herstellung von integrierten Schaltungen. Dabei werden Siliziumoxid und Aluminiumoxid als Gatedielektrika verwendet und untersucht. Dadurch ergibt sich ein Vergleich zwischen einem selbstjustierenden Gate-Prozess, mit Polysilizium als Gateelektrode und Siliziumoxid als Dielektrikum, und dem Metal-Gate Prozess mit einem Gatestack basierend auf Aluminiumoxid mit metallischer Gateelektrode. Neben den theoretischen Grundlagen zur Thematik der Feldeffekttransistoren wird auf das statische Verhalten des CMOS-Inverters eingegangen. Dieser wird im Rahmen der Arbeit als integrierte Schaltung hergestellt. Bei der Entwicklung der Prozesse wird ein Hauptaugenmerk auf die Dotierung mit Spin-On-Gläsern gelegt, da dies eine oberflächennahe Dotierung erlaubt. Dabei wird das Verfahren zur Herstellung der Source/Drain Gebiete sowie für die Wannen eingesetzt. Es wird ein Prozess entwickelt, bei dem die Source/Drain Gebiete gleichzeitig mit der Gateelektrode aus Polysilizium, dotiert werden. Bei der Verwendung von Bor als Dopand bildet sich nach der Diffusion eine ätzresistente Borschicht. Im Hinblick auf diese Problemstellung werden verschiedene Verfahren zur Entfernung der Schicht aufgezeigt. Dabei stellt sich heraus, dass eine trockenchemische Ätzung die besten Ergebnisse liefert. Neben diesem Prozessschritt wird auch auf die Entwicklung eines Nitridspacers eingegangen. Dieser ist für die Herstellung der Transistoren mit selbstjustierendem Gateprozess notwendig. Dabei werden sowohl unterschiedliche Ätzverfahren für Polysilizium, als auch ein Spacer mit zusätzlichem Siliziumoxid dargestellt. Es stellt sich heraus, dass die trockenchemischen Ätzverfahren die besten und reproduzierbarsten Ergebnisse liefern. Des Weiteren wird auf den Unterschied in der Prozessierung zwischen einem selbstjustierenden Gate-Prozess und einem Metal-Gate eingegangen. Bei letzterem wird auf die Abscheidetechnik des Aluminiumoxids und die Passivierung näher eingegangen. Dabei muss auf Grund des metallischen Gatestacks eine Niedertemperatur-Passivierung gewählt werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der elektrischen Charakterisierung und dem Vergleich mit analytischen Berechnungen. Dabei werden sowohl die Feldeffekttransistoren als auch die Schaltungen in Form von Invertern behandelt. Bei den Transistoren mit Polysilizium als Gateelektrode und Siliziumoxid wurden nur n-Kanal Bauelemente hergestellt. Dabei ergibt sich aufgrund der hohen Substratdotierung eine Einsatzspannung von VTn = 5,28 V und eine Unterschwellsteigung S = 290 mV/dek. Diese Werte stimmen mit den Erwartungswerten überein. Jedoch zeigt sich eine Abhängigkeit des Off-Stroms von der Drain-Source Spannung. Anhand von analytischen Berechnungen und Messungen an den pn-Dioden des Transistors stellt sich heraus, dass der Off-Strom von der Güte der Drain-Bulk Diode maßgeblich abhängig ist. Mit dem Metal-Gate Prozess wurden die ersten CMOS-Transistoren am Institut hergestellt. Der Inverter zeigt ein typisches Verhalten auf, indem er das Bit am Eingang negiert. Jedoch liegt aufgrund von nicht symmetrischen Einsatzspannungen der komplementären Transistoren kein symmetrischer Inverter vor. In diesem Fall ist der Umschaltpunkt des Inverters gegenüber einem idealen symmetrischen Inverter in positiver Spannungsrichtung verschoben. Die zugehörigen Transistoren zeigten ein Verhältnis von IOn/IOff von 7 Dekaden auf. Die Ausbeute der hergestellten p-Kanal Bauelemente liegt bei ca. 97%, die der n-Kanal bei ca. 50%. Bei beiden Transistoren zeigt sich eine Abhängigkeit des Off-Stroms von der Gate-Source Spannung. Dieses Verhalten wird anhand von analytischen Berechnungen erörtert und kann dem sogenannten GIDL-Effekt (Gate-Induced Drain Leakage) zugeordnet werden. 
Übersetzte Kurzfassung:
The present work shows the technological development of a CMOS-Process (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor) to fabricate integrated circuits. For this case various gate stack materials as siliconoxide and aluminumoxide are investigated. This includes a comparison between a self-aligned gate-process, with polycrystalline silicon and siliconoxide and a metal-gate process with a gate stack consisting of aluminumoxide and metallic gate electrode. Besides the theoretical background of field-effect-transistors, the static behavior of a CMOS-Inverter is discussed. Consequently the inverter is fabricated as an integrated circuit in this work. The main part of the process development is about the diffusion with Spin-on-Glasses. This procedure will be used for the fabrication of the source/drain areas and the wells. Thereby a process will be developed, which allows to dope the source/drain areas and the gate electrode, polycrystalline silicon, at the same time. Using boron as a dopant, an etch resisting layer is formed. To remove this layer, various methods are proposed. In this case a dry chemical etching process leads to the best result. Besides this process step a spacer out of silicon nitride is developed, which is necessary for the self-aligned gate process. Therefor various etching mechanism for polycrystalline silicon are shown. Besides that a spacer with additional siliconoxide is developed. The dry etching leads to reproducible and reliable results. Furthermore the fabrication difference between a self-aligned and a metal-gate process are shown. For the second process the deposition of aluminumoxide and the passivation are discussed. Because of the metallic gate electrode a low temperature passivation has to be investigated. The focus of this work is the electrical characterization and the comparison to analytical calculations. Thereby the CMOS inverter and the field-effect-transistors are discussed. For the self-aligned gate-process with polycrystalline silicon and siliconoxide only n-channel devices are fabricated. Because of the high doping of the substrate the threshold voltage of VTn = 5,28 V and a subthreshold swing S = 290 mV/dek are achieved. This values accord with the analytical calculations. But the transistors show a dependence of the off-current towards the drain-source voltage. Analytical calculations and measurements of pn-diodes lead to the result that the off-current relies on the quality of the pn-diodes. With the metal-gate process the first CMOS inverters within the institute were fabricated. They work as expected, as they negate the incoming signal. Because of not symmetrical threshold voltages, no symmetrical inverter exists. In this case the switching point towards an ideal inverter is shifted. The associated transistors have a relation of IOn/IOff of 7 decades. The yield of the p-channel transistors is 97% and of the n-channel devices 50%. The off-current of both transistors shows a dependence of the gate-source voltage. Through analytical calculations it is investigated that this dependence exists because of the so called GIDL-effect (Gate-Induced Drain Leakage). The dependence on the current of the gate dielectric and the overlap between gate and drain is discussed. As last point a comparison of the fabricated n-channel transistors with various gate dielectrics is done. It shows that besides of the threshold voltage there is no big difference. 
Tag der mündlichen Prüfung:
17.12.2012 
Eingestellt am:
04.02.2013 
Ort:
Neubiberg 
Stadt (Autor):
Prag (Tschechische Republik) 
Vorname (Autor):
Josef 
Nachname (Autor):
Biba