T ~ ¾© Ž 7 _T $ [ ° ‚ Ç% iP ; c 8 ý” X ¢ ALD Al 2 O 3 U c lT c l8 ý



T ~ ¾© Ž 7 _T $ [ ° ‚ Ç% iP ; c 8 ý” X ¢ ALD Al 2 O 3 U c lT c l8 ý

Ž Ö

«  ˜ m× D ö n Ú ‘ ¤B s (EOT) •  ×} º

ƒ

‘

š+ Ö <4 w H · + ä A I… è ¡ ^∗

 â

 B@ /† < Ɠ § „   & ñ ˜ Ð@ /† < Æ 6 £ x6   xÓ ü t o „  / B N, 6   x“   446-701

† ç

¡­ ¤ * > · ­ ¤« »* °

FST  l Õ ü tƒ  ½ ¨™ è,  o$ í 445-813 (2008¸   7 Z 4 7{ 9  ~ à Î6 £ §)

Z 

}“ É r Ä »„  Ö  ¦ (high-k)`  ¦ ”   Al

2

O

3

\  ¦ P−+ þ A l ó ø Í (native oxide : SiO

²

/1.5nm) 0 A\  atomic layer deposition (ALD)\  ¦ s 6   x # Œ 40 nm~ à Ì} Œ •`  ¦ Á ú ¢  `  ¦ 2 ;  6 £ §,   © œ 940 nm_   s š ¸× ¼ Y Us $ \  ¦ 400 W, 1 ms s  _  r ç ß –Ü ¼– Ð millisecond laser annealing (ms-LA)`  ¦ % i  . r « Ñ_  ½ ¨› ¸\    É r 5 t  כ

¹™ è_  1 p x  r– Ð\  ¦ [ O & ñ “ ¦ Å Ò à º\     8 £ ¤& ñ  ) a C−V, G−V ° ú כ`  ¦ s 6   x # Œ > €  _  % ò † ¾ Ó`  ¦ ] jü @ô  Ç í

 H à º ] X ƒ  ^ ‰ Al

²

O

3

~ à Ì} Œ •_  C−V / B G‚  Ü ¼– Ð Ã º& ñ % i  . à º& ñ  ) a C−V / B G‚  _  » ¡ ¤& h t % i  (accumulation region: −2V) \ " f_  1 p x  í ß – oÓ ü t ¿ ºa  (EOT) ° ú כ`  ¦ Æ Ò : r ô  Ç   õ  as-grown=16.05 ± 0.59 nm, after ms-LA=10.71 ± 1.97 nm – Ð ms-LA Ê ê EOTy Œ ™™ è   õ \  ¦ % 3 % 3  . ¼ # F  g  " é ¶ >  (ellipsometer) 8 £ ¤& ñ `  ¦ :

Ÿ

x ô  Ç ~ à Ì} Œ •_  ¿ ºa     o\  ¦ › ¸ ô  Ç   õ , ms-LAÊ ê Al

2

O

3

8 £ x _  ¿ ºa  y Œ ™™ è # Œ EOTy Œ ™™ è   õ ü < { 9 u 

†

< Ê`  ¦ S X ‰ “   % i  . ¢ ¸ô  Ç I−V 8 £ ¤& ñ `  ¦ : Ÿ x # Œ : £ ¤& ñ „  · ú š\ " f_  ¾ º[ O  „  À Ó_  y Œ ™™ è\  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” % 3  .

PACS numbers: 61.72.C, 07.90.+c

Keywords: millisecond- Y Us $  \ P % ƒo (ms-LA), 1 p x  í ß – oÓ ü t ¿ ºa (EOT), Z  }“ É r Ä »„  Ö  ¦(high-k) Ó ü t| 9 , ¾ º[ O „  À Ó

I. " e  ] Ø

‰

&

³F  ì ø ͕ ¸^ ‰ metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) _  ß ¼l   H Á º# Q (Moore)_  Z O g Ë : s

 & h 6   x ÷ &# Q > 5 Å q K " f  Œ • 4 R M ® o “ ¦, s \     ™ è _  f ”

] X • ¸  H 7 £ x  % i  . t ë ß – node-ß ¼l  ≤ 45 nm _  à

Ô ½ ™t Û ¼' _  > hµ 1 Ï`  ¦ 0 AK " f  H MOSFET ™ è _  Å Òכ ¹ ô

 Ç ] X ƒ  ^ ‰ (insulator)“   z  ´o – B H í ß – o} Œ • (SiO ² ) Ü ¼– Ѝ  H ô  Ç

>

\  • ¸² ú ˜ % i  . SiO ² _  ¿ ºa  · û ª f ” \    " f ' V ,  a A (tunneling) ´ òõ \  _ ô  Ç ¾ º[ O  „  À Ó 7 £ x  l  M :ë  H

\

 SiO 2 \  ¦ @ /^ ‰½ + É Ó ü t| 9 – Ð · û ª“ É r 8 £ x \ " f• ¸ Z  }“ É r Ä »„  Ö  ¦ (high-k)\  ¦ t   H Al 2 O ₃ , HfO ₂ , HfSiON, LuO ₃ 1 p x s  ´ ú §

“ É

r  Òì  r \ " f ƒ  ½ ¨÷ &“ ¦ e ”   [1,2]. Õ ª Q
 high-k Ó ü t| 9 “ É r

“

¦“ : r \ " f  © œr ç ß – \ P % ƒo \  ¦ >  ÷ &€      & ñ  o (poly- crystallization) \    É r   & ñ   † < Ê_  7 £ x  ë  H ] j\  ¦ t “ ¦ e ”

  [3,4]. 1 ms s   é ß –0 A_   ú ª“ É r r ç ß – 1 l x î ß – “ ¦Ø  ¦§ 4  Y Us 

$

\  ¦ s 6   x ô  Ç “ ¦“ : r _  \ P % ƒo  ~ ½ Ód ” “   millisecond-laser an- nealing (ms-LA)`  ¦ s 6   x €   \ P % ƒo  “ : r • ¸ü < r ç ß –_  Y  L

∗

E-mail: [email protected]

Ü

¼– Ð ³ ð‰ & ³÷ &  H \ P  \ Ví ß – (thermal budget)s  þ j™ è o÷ &l  M

:ë  H \  \ P \  €  •ô  Ç high-k Ó ü t| 9 [ þ t _     & ñ  o\  ¦ y Œ ™™ èr ~  ´

 כ

Ü ¼– Ð „  } © œ  ) a  .

Y

Us $  \ P % ƒo \ " f F  g " é ¶ _    © œ ‚  × þ ˜, F  g " é ¶ _  / B N ç ß –& h  ç

 H| 9 $ í , Y Us $  F  g " é ¶ \ " f \ P % ƒo  @ / © œ t _  „  ² ú ˜~ ½ ÓZ O ,

ƒ

 5 Å q µ 1 ϔ   ¢ ¸  H ` O Û ¼ + þ AI \    É r r ç ß –& h “   ì  r Ÿ í\   



" f \ P % ƒo  @ / © œ_  $ í | 9     o\  % ò † ¾ Ó`  ¦ z u >   ) a  .

s

p  · û ª“ É r ~ à Ì} Œ • ] X ½ + Ë (Ultra Shallow Junction),   & ñ  o (crystallization)1 p x _  ™ è  / B N& ñ \ " f Õ ª : £ ¤$ í \  ´ ú   H Y U s

$  ~ ½ Ód ” `  ¦ ‚  × þ ˜ô  Ç \ P % ƒo  / B N& ñ s   € ª œô  Ç Â Òì  r Ü ¼– Ð ƒ  

½

¨÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9, pulse type LA, RTP (rapid thermal pro- cess)+LSA (laser spike annealing) 1 p x Y Us $  › ¸  ~ ½ Ód ” 

`

 ¦ ‚  Z > & h Ü ¼– Ð s 6   x # Œ   & ñ   † < Ê (crystal defect)_  y Œ ™

™

èü < ± ú “ É r \ P  \ Ví ß –\  _ ô  Ç ³ ð€  $ † ½ Ó (sheet resistance), ] X

½ + Ë U  ·s  (junction depth)_  y Œ ™™ è 1 p x Õ ª ´ òõ  ˜ Г ¦÷ &

“

¦ e ”   [3–9]. \ P % ƒo  Ê ê\  z  ´] j ™ è \  & h 6   x ½ + É Ã º e ”   H ] X

ƒ  ^ ‰_  : £ ¤$ í `  ¦  € Œ •   H X < 1 p x  í ß – oÓ ü t ¿ ºa  (Equiv- alent Oxide Thickness : EOT) ° ú כ“ É r ×  æ כ ¹ô  Ç t ³ ð– Ð  6   x

 )

a  . EOT  H high-k Ó ü t| 9  ] X ƒ  ^ ‰_  Ó ü t o & h “   ¿ ºa  # Q Ö

¼ & ñ • ¸_  SiO 2 ¿ ºa  ´ òõ \  ¦ t   H t \  ¦
 ? /  H ° ú כs 

-275-



. Õ ª QÙ ¼– Ð MOSFET ™ è _  » ¡ ¤ ™ è o (scaling-down)\ 

"

f EOT_  y Œ ™™ èü < ¾ º[ O „  À Ó (leakage current)_  y Œ ™™ è  H

×

 æ כ ¹   [10].

þ

j   H \  ] X ƒ  8 £ x (gate dielectric stack) _  high-k Ó ü t| 9  ×  æ hafnium oxide (HfO 2 ) _   â Ä º   © œ 10.6 µm CO ² Y Us $ 

\

 ¦ s 6   x ô  Ç ms-LA ˜ м # & h “   RTP˜ Ð     & ñ  o & h 

>

 ÷ & 9, EOTü < ¾ º[ O  „  À Ó y Œ ™™ è   H a % ~“ É r „  l & h  : £ ¤

$ í

`  ¦
  · p “ ¦ ˜ Г ¦  ) a   e ”  [11-12]. Õ ª Q
 CO ² Y U s

$ \  ¦ s 6   x ô  Ç ms-LA  H  © œ  © œ F  g " é ¶`  ¦  6   x Ù ¼– Ð f  ¨ Ã

º > à º ± ú “ É r z  ´o – B H ? /_   Ä » „    f  ¨ à º (free carrier absorption) õ & ñ `  ¦ : Ÿ x ô  Ç \ P ~ ½ Ód ” s  .   " f à º kW

&

ñ • ¸_  Z  }“ É r Ø  ¦§ 4 s  € 9 כ ¹  9  Ä » „   _  & h & ñ 0 l x • ¸\  ¦ Ä

»t  l  0 Aô  Ç J ?s (  \ P  © œu  € 9 כ ¹ Ù ¼– Ð ms-LA  © œ u

_  [ O u  x 9  › ' a o \  ´ ú §“ É r # Q 9¹ ¡ § s  e ”  .

‘

: r z  ´+ « >\ " f  H ] X ƒ  ^ ‰ Ó ü t| 9 – Ð high-k Ó ü t| 9 “   Al 2 O 3 \  ¦ s

6   x # Œ   © œ 940 nm_   s š ¸× ¼ Y Us $ \  ¦  6   x # Œ



Ä » „    f  ¨ à º˜ Ð  ´ òÖ  ¦& h “   f ” ] X   ½ ™× ¼ ç ß – f  ¨ à º\  _ ô  Ç

\ P  ~ ½ Ód ” _  ms-LA z  ´+ « >`  ¦ à º' Ÿ  % i  .

II. ÷ m Ç ] M ö

P−+ þ A z  ´o – B H l ó ø Í (silicon native oxide : SiO 2 /1.5 nm) 0

A\  atomic layer deposition (ALD)Ü ¼– Ð 40 nm 8 £ x`  ¦ Á ú ¢



 `  ¦ 2 ; r « Ñ\  ¦ ms-LA \ P % ƒo  % i  .  © œ“ : r \ " f ms-LA

\

 ¦   H  â Ä º J ?s ( \  K t   H / å L  ô  Ç \ P     o\  _ ô  Ç Û

¼à ÔY UÛ ¼\  ¦ ×  ¦ s l  0 A # Œ hot chuck`  ¦ s 6   x % i “ ¦,   Ä

» „    f  ¨ à ºü < f ” ] X   ½ ™× ¼ ç ß – f  ¨ à º, 2t  f  ¨ à º ´ òõ \  ¦ 7

£

x @ / r v l  0 A # Œ hot chuck_  “ : r • ¸  H 400 ^◦ C – Ð % i 



.   © œ“ É r 940 nm _   s š ¸× ¼ Y Us $ \  ¦ › ¸  €  " f J ? s

(  Å Ò  (scanning) ~ ½ Ód ” Ü ¼– Ð  6   x % i “ ¦, Ø  ¦§ 4 “ É r 400 W \  1 ms s  _  › ¸ r ç ß –Ü ¼– Ð ms-LA\  ¦ % i  . s  M :

“

¦“ : r >  (pyrometer)\  ¦ : Ÿ x ô  Ç “ : r • ¸ 8 £ ¤& ñ ° ú כ“ É r 1015 ∼ 1020

◦ C s % 3 Ü ¼
 “ ¦“ : r > _  ì ø Í6 £ x r ç ß – ] j€  •Ü ¼– Ð z  ´] j “ : r • ¸˜ Ð



 ± ú >  8 £ ¤& ñ ÷ &  H  ⠆ ¾ Ós  e ”  .

J. A Woollan  _  VASE ¼ # F  g  " é ¶ >  (ellipsometer)\  ¦ s

6   x ô  Ç Cauchy — ¸4 S q ¿ ºa  þ j& h  o\  ¦ : Ÿ x # Œ ms-LA „  Ê ê _

 Al ² O 3 8 £ x (Al 2 O 3 layer) õ  SiO ² 8 £ x (SiO 2 layer) _  ¿ º a

    o\  ¦ · ú ˜ ˜ Ѐ Œ ¤ . ¢ ¸ô  Ç ms-LA „  Ê ê_  „  l & h  : £ ¤

$ í

`  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 A # Œ Al 2 O <sub>3</sub> 8 £ x 0 A\  · ú ˜À Òp ³ o u (Al)`  ¦

\ P

 7 £ x ‚ Ã Ì (thermal dot deposition)`  ¦ s 6   x # Œ t 2 £ § 200 µm _  & h  „  F G Ü ¼– Ð `  ¦ o “ ¦, z ´ »€   ] X 8 ú ¤ „  F G Ü ¼– Ѝ  H “  ´ o u (Indium)`  ¦ s 6   x # Œ Ohmic ] X 8 ú ¤`  ¦ % i  . 7 £ x ‚ à Ìô  Ç r 

«

Ñ_  z  ´] j ½ ¨› ¸  H Fig. 1 õ  ° ú  “ ¦, e ” x ~  Û ¼ 8 £ ¤& ñ  © œq  (HP

Fig. 1. Physical layer scheme : Al dot (200 µm) + Al ₂ O ₃ layer (40 nm)+ P-type substrate (with native SiO ₂ Oxide 1.5 nm) + Indium back contact.

4284A)\  ¦ s 6   x # Œ „  · ú š_  Å Ò à º\  ¦ 2 kHz ∼ 1 MHz   t

    or v €  " f −3 V ∼ 3 V t  C−V, G−V8 £ ¤& ñ `  ¦ 

%

i  . I−V 8 £ ¤& ñ “ É r Agilent 4155C parameter analyzer\  ¦ s

6   x # Œ 8 £ ¤& ñ % i  . 8 £ ¤& ñ  ) a C−V, G−V X <s ' \  ¦ Fig.

2 _  5t  כ ¹™ è 1 p x  r– Ð — ¸+ þ A o (5−elements equivalent circuit modeling)\  ¦ : Ÿ x # Œ à º& ñ “ ¦ s M : „  l 6   x | ¾ Ó (ca- pacitance) ° ú כÜ ¼– Ð EOT\  ¦ > í ß – % i  . 5t  כ ¹™ è 1 p x 



r– Ð — ¸+ þ A o\  ¦ : Ÿ x ô  Ç Ã º& ñ  ) a C−V/ B G‚  õ  EOT\  ¦ Æ ÒØ  ¦ 



 H á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›“ É r NI labview á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›Ü ¼– Ð ë ß –[ þ t% 3  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í w Š²  o

1. 5 U  ~ ¿} º Ž Ö « > Hz º כ r ÇX N Ë õ m Í • ¤X N Ëc Ü R C−V Œ Ÿ ¤ Ò Å ˜ ¼Â ] Ø

Fig. 3 (a), (b) \ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  HP4284A– Ð 8 £ ¤& ñ

 )

a C−V / B G‚  “ É r » ¡ ¤& h t % i \ " f Å Ò à º\     s 

  H X <, s   H Al 2 O 3 /SiO 2 > €   (Al 2 O 3 /SiO 2 interface), SiO 2 8 £ x, P−+ þ A l ó ø Í_  % ò † ¾ Ó`  ¦ — ¸¿ º Ÿ í† < Ê “ ¦ e ” l  M :ë  H s

 . Õ ª QÙ ¼– Ð 1 p x  r– Ð\  ¦ [ O & ñ # Œ Al 2 O ₃ /SiO ₂ > €   (Al 2 O 3 /SiO 2 interface), SiO 2 8 £ x, P−+ þ A l ó ø Í_  % ò † ¾ Ó`  ¦ ] j



ô  Ç C−V/ B G‚  Ü ¼– Ð Ã º& ñ ½ + É € 9 כ ¹ e ”  . 1 p x  r– Ð\  ¦ [ O 

Fig. 2. 5-elements equivalent circuit : Z _C - total circuit impedance C H , G H - high-k dielectric insulator (Al 2 O 3

layer) , C p , G p - interface/SiO 2 layer, R s - P-type silicon substrate.

&

ñ   H ~ ½ Ód ” “ É r # Œ Q ~ ½ Ód ” s  e ” t ë ß – [13], ‘ : r z  ´+ « >\ " f  H Fig. 2 \ " f% ƒ! 3  5t  כ ¹™ è 1 p x  r– Ж Ð — ¸+ þ A o % i  .

5 t  כ ¹™ è 1 p x  r– Ж Ð — ¸+ þ A oô  Ç s Ä »  H r « Ñ_  Ó ü t o & h 

½

¨› ¸\  ¦ ^  ¦ M :, Al ² O 3 8 £ x s  8 £ ¤& ñ  ) a „  ^ ‰ capacitance ° ú כ\  ß

¼>  l # Œ   H 8 £ x s l  M :ë  H \  Å Òכ ¹ô  Ç 8 £ x Ü ¼– Ð €  $  — ¸+ þ A



o “ ¦, Al 2 O ₃ /SiO ₂ > €  õ  SiO 2 8 £ x _  % ò † ¾ ӓ É r   É r 8 £ x Ü

¼– Ð — ¸+ þ A o # Œ, 2> h_  8 £ x õ  P-+ þ A l ó ø Í_  $ † ½ Ó`  ¦ ”   1

p

x   r– Ж Ð & h ½ + Ë >  & h 6   x r ~  ´ à º e ” l  M :ë  H s   [14].

Õ

ª QÙ ¼– Ð Fig. 2_  1 p x  r– Ð\ " f C H ü < G H ° ú כ“ É r high-k Ó

ü t| 9 – Ð s À Ò# Q”   Al ₂ O ₃ 8 £ x _  capacitance ü < conductance

° ú

כÜ ¼– Ð, C P ü < G P ° ú כ“ É r Al 2 O ₃ /SiO ₂ > €  õ  SiO 2 8 £ x \  _  ô

 Ç capacitance ü < conductance ° ú כÜ ¼– Ð, R S ° ú כ“ É r P−+ þ A l  ó

ø Í_  $ † ½ ÓÜ ¼– Ð Z  ~`  ¦ à º e ”  .

€

 $  “ ¦Å Ò \ " f capacitance ° ú כs  b  # Qt   H s Ä »  H P−+ þ A l ó ø Í_  f ” § > =$ † ½ Ó M :ë  H s  . Õ ª QÙ ¼– Ð “ ¦Å Ò \ " f 8

£ ¤& ñ  ) a capacitance, conductance ° ú כ`  ¦ s 6   x # Œ R S `  ¦ ½ ¨

“ ¦, C H , G H ° ú כ“ É r $ Å Ò \ " f 8 £ ¤& ñ  ) a capacitance, con- ductance ° ú כ (C m , G m ) Ü ¼– Ð [ O & ñ ô  Ç  [14]. [ O & ñ  ) a C H ,

Fig. 3. Measured C−V curve as function of frequency (2 kHz to 1 MHz) : (a) as-grown C−V curve (b) after ms−LA C−V curve.

G H , R S ° ú כõ  C ^m , G m ° ú כ_   Å Ò à º\     þ j™ è o (minimizing) ÷ &  H C p , G p ° ú כ`  ¦ d ”  (1)% ƒ! 3  ½ ¨ô  Ç .

1 G _P + jωC _P

∼ = 1

C _m + jωC _m − 1

G _H + jωC _H − R _S (1)

>

í ß –`  ¦ : Ÿ x # Œ % 3 # Q”   C <sub>p</sub> , G p ° ú כõ  [ O & ñ  ) a R s ° ú כ`  ¦ 8 £ ¤

&

ñ ° ú כ C ^m , G m ° ú כ_  „  ^ ‰ e ” x ~  Û ¼ (Z ^m (V g )) \   r  N S Å

Ҁ   d ”  (2)% ƒ! 3  Å Ò à º\    " f    o t  · ú §  H à º& ñ  ) a C C − V ° ú כ`  ¦ % 3 `  ¦ à º e ”   [14].

C _C (V _g ) = 1

ω Im([Z _m (V _g ) − R _S 1

G _P + jωC _P ] ⁻¹ ) (2)

2.   Å° Ë Ñ  Ì ¦ R4 8 ý ‘ ¤B s • ¤X N Ë + s ÇÊ Ý

¼

# F  g  " é ¶ > _  Cauchy — ¸4 S q ¿ ºa  þ j& h  o (fitting)   õ 

° ú

כ“ É r Table 1 \ " f S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  . Table 1`  ¦ ˜ Ѐ  , ms-LA s

Ê ê Al 2 O 3 8 £ x“ É r 41.39 ± 0.98 nm \ " f 37.5 ± 0.86 nm

Table 1. Extracted thickness by ellipsometer analysis.

As-grown After ms−LA Al

2

O

3

thickness 41.39 ± 0.98 nm 37.5 ± 0.86 nm

SiO

2

thickness 1.63 ± 0.65 nm 1.97 ± 0.53 nm

Table 2. EOT results extracted by the five elements equivalent circuit model.

As-grown After ms−LA Al

2

O

3

EOT 16.05 ± 0.59 nm 10.71 ± 1.97 nm interface+SiO

2

EOT 1.1 nm 3.4 nm

–

Ð ¿ ºa  y Œ ™™ è % i “ ¦, SiO 2 8 £ x _   â Ä º 1.63 ± 0.65 nm \ 

"

f 1.97 ± 0.53 nm – Ð ¿ ºa  7 £ x Ù þ ¡ . Al ² O 3 8 £ x _  ¿ ºa  y

Œ

™™ è  H ms-LA Ê ê\  Al 2 O ₃    & ñ  o { 9 # Q
€  " f x 9 • ¸

 7 £ x † < Ê\  _ ô  Ç  כ Ü ¼– Ð Æ Ò& ñ ÷ &“ ¦, SiO 2 8 £ x _  ¿ ºa  7 £ x 



 H ms-LA r  > €  `  ¦ : Ÿ x # Œ í ß –™ è S X ‰ í ß – (diffusion)÷ &# Q SiO 2  F $ í  © œ (re-growth) l  M :ë  H s   Æ Ò& ñ  ) a  .

3. EOT R w ‹

P−+ þ A l ó ø Í (R s ) õ  > €   (C _P , G _P )8 £ x _  ´ òõ \  ¦ ] j  ô

 Ç Ã º& ñ  ) a C C − V / B G‚  \ " f −2 V { 9  M : capacitance° ú כ (C a ) õ  SiO ² _   © œ@ / Ä »„  Ö  ¦ ° ú כ“   ε r = 3.9, ”  / B N ×  æ \ " f Ä

»„  Ö  ¦ ° ú כ“   ε ₀ , Al „  F G _  €  & h  (A)`  ¦ d ”  (3)`  ¦ @ /{ 9  

#

Œ EOT\  ¦ ½ ¨ % i  .

EOT = ε 0 ε r A C B

(3) Ã

º& ñ  ) a C C − V / B G‚  `  ¦ : Ÿ x # Œ > í ß –  ) a Al 2 O 3 8 £ x _  EOT (“Al 2 O 3 EOT”) ü < þ j™ è o\  ¦ : Ÿ x # Œ > í ß –  ) a C p ° ú כ`  ¦ s 6   x ô

 Ç > €  +SiO ₂ 8 £ x _  EOT (“interface+SiO 2 EOT”)  H Ta- ble 2 \ " f S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  . Table 2\ " f ˜ Ѐ   as-grown = 16.05 ± 0.59 nm, after ms-LA =10.71 ± 1.97 nm – Ð ms- LA Ê ê Al ² O 3 EOT  H y Œ ™™ è “ ¦ as-grown/interface+SiO ²

= 1.1 nm, after ms-LA/interface+SiO ₂ =3.43 nm – Ð interface+SiO ₂ EOT  H 7 £ x ô  Ç . s   H ms-LA s Ê ê Al 2 O 3 _    & ñ  oü < x 9 • ¸7 £ x \  _ ô  Ç ¿ ºa  y Œ ™™ è– Ð “   

#

Œ Ä »„  Ö  ¦ õ  capacitance ° ú כ`  ¦ 7 £ x r v l  M :ë  H \  Al ² O 3

EOT  H y Œ ™™ è % i “ ¦, interface+SiO 2 EOT  H > €  `  ¦ : Ÿ x ô

 Ç í ß –™ è S X ‰ í ß –\  _  # Œ SiO 2 _  F $ í  © œ\  % ò † ¾ Ó`  ¦ Å Ò% 3 



“ ¦ ó ø Íé ß –  ) a  . Al ² O 3 EOT _  ° ú כ“ É r ™ è _  ] X ƒ  8 £ x s  SiO 2 { 9  M :– Ð   ¨ 8 Š # Œ Æ Ò : r   H ° ú כs Ù ¼– Ð, Table 1 _ 

¼

# F  g  " é ¶ >  ¿ ºa  þ j& h  o ° ú כ\  2t  Ó ü t| 9 _   © œ@ / Ä »„   q

Ö  ¦ (SiO 2 =3.9 / Al 2 O 3 =9.5)`  ¦ Y  L ô  Ç ° ú כs  EOT ° ú כõ  ° ú  

Fig. 4. Al ₂ O ₃ layer modified C _H − V curve by five- element equivalents circuit modeling : (a) modified as- grown C _C − V curve (b) modified after ms−LA C _C − V curve.

Fig. 5. Comparison of leakage current between as-grown and after ms−LA.



  ô  Ç . ¼ # F  g  " é ¶ > \  ¦ : Ÿ x # Œ 8 £ ¤& ñ  ) a ¿ ºa  ° ú כ\   © œ@ / Ä

»„  q Ö  ¦`  ¦ Y  L ô  Ç as grown = 16.99 nm, after ms-LA =

15.39 nm ° ú כõ  1 p x  r– Ð\  ¦ : Ÿ x # Œ Æ Ò : r ) a EOT ° ú כõ  q 

“

§ # Œ ‘ : r   õ  as-grown“ É r { 9 u    H   õ \  ¦ % 3 % 3 t ë ß –, after ms-LA ° ú כ“ É r 8 £ ¤& ñ  ) a EOT ° ú כ“ É r s  e ”  . s Ä »  H Al 2 O 3 EOT _   â Ä º, ms-LA 1ms s  _   ú ª“ É r \ P r ç ß – Ü

¼– Ð SiO 2 8 £ x _  F $ í  © œ“ É r  _  \ O s  Al 2 O ₃ ë ß –   & ñ  o÷ &€  

"

f x 9 • ¸ 7 £ x \  _ ô  Ç 8 £ x _  ¿ ºa  y Œ ™™ èü < Ä »„  Ö  ¦ 7 £ x  M :ë  H s

  Æ Ò& ñ  ) a  . interface+SiO 2 EOT ° ú כ_  s   H 5 t  כ

¹™ è 1 p x  r– Ð_  C ^p ° ú כs  SiO ² 8 £ x ë ß –s      Al 2 O 3 /SiO 2

>

€  \ " f ™ D ¥ ½ + ˝ ) a 8 £ x \  _ ô  Ç % ò † ¾ Ó`  ¦ Ÿ í† < Ê “ ¦ e ” l  M :ë  H

\

 ¼ # F  g  " é ¶ > _  þ j& h  o ° ú כõ  s  e ”  “ ¦ ó ø Íé ß –  ) a  .



[ jô  Ç ½ ¨› ¸_     o  H XTEM (cross-sectional transmis- sion electron microscopy) s p t \  ¦ : Ÿ x ô  Ç €  x 9 ô  Ç › ¸ 

€ 9

כ ¹½ + É  כ Ü ¼– Ð Ò q ty Œ •  ) a  .

Fig. 4 (b) \ " f ˜ Ѐ   Å Ò à º\     Capacitance_  ë  H )

3

„  · ú š (threshold Voltage)s     o   H  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”   H X

<, s   H “ ¦Å Ò  „  · ú š    o\    " f ] X ƒ  8 £ x _  € ª œ_  “ ¦

&

ñ „    7 £ x  l  M :ë  H s  . s  Qô  Ç  â Ä º  H t F K _  5

t

 כ ¹™ è 1 p x  r– Ж Ѝ  H ˜ Ð © œ½ + É Ã º \ O  . ¢ ¸ Fig. 4 (a)ü <

Fig. 4 (b) _  Capacitance ë  H) 3 „  · ú š`  ¦ q “ § €   ms-LA s

Ê ê € ª œ_  „  · ú šÜ ¼– Ð s 1 l xÙ þ ¡6 £ §`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”   H X <, s 



 H ms-LA s Ê ê x 9 • ¸ 7 £ x \    É r í ß –™ è ‘   o  (Oxygen vacancy)  y Œ ™™ è “ ¦, s \     ] X ƒ  8 £ x _  € ª œ_  “ ¦& ñ „  

 y Œ ™™ è % i l  M :ë  H Ü ¼– Ð Æ Ò& ñ  ) a   [15].

4. I-V — ¤V R Ë

high-k Ó ü t| 9 “   Al ₂ O ₃ _  ¿ ºa  40nm s l  M :ë  H \ , l 

‘

: r& h Ü ¼– Ð ¾ º[ O „  À Ó_  € ª œs  [pA] é ß –0 A– Ð & h  . t ë ß – ms- LA % ƒo \  ¦ ô  Ç Ê ê, Fig. 5\ " f 0 ∼ 2 V s _  „  À Ó\  ¦ q 

“

§K  ˜ Ѐ   20 pA & ñ • ¸ b  # Q& ’  . Al ² O 3 8 £ x _  x 9 • ¸ 7 £ x

† < ÊÜ ¼– Ð í ß –™ è ‘   o  (Oxygen vacancy) y Œ ™™ è† < ÊÜ ¼– Ð hopping ´ òõ \  _ ô  Ç ¾ º[ O  „  À Ó y Œ ™™ è % i  “ ¦ Æ Ò& ñ ô  Ç



. s   H ms-LA\  ¦ : Ÿ x # Œ ] X ƒ  : £ ¤$ í `  ¦ † ¾ Ó © œ r ~  ´ à º e ”  6

£

§`  ¦ S X ‰ “   % i Ü ¼ 9, MOSFET ™ è _  > s à Ô „  · ú š`  ¦ “ ¦



9½ + É M :, ¾ º[ O  „  À Ó_  y Œ ™™ è\  ¦ S X ‰ “   % i  . · û ª“ É r ~ à Ì} Œ • (ultra-thin film) \ " f• ¸ \ P % ƒo _  ° ú  “ É r ´ òõ \  ¦ l @ /ô  Ç .

IV. + s Ç Â ] Ø

P−+ þ A z  ´o – B H l ó ø Í 0 A SiO 2 1.5 nm _  J ?s (  0 A\  ALD\  ¦ s 6   x # Œ Al ² O 3 \  ¦ 40 nm 7 £ x ‚ à Ìô  Ç r « Ñ\  ¦ 400 ^◦ C hot-chuck 0 A\  400W, 1 ms s  , 940 nm   © œ_   s š ¸

×

¼ Y Us $ \  ¦ s 6   x # Œ Å Ò  (scanning) ~ ½ Ód ” Ü ¼– Ð ms-LA

\

 ¦ % ƒo  % i  . 8 £ ¤& ñ  ) a C−V, G−V 8 £ ¤& ñ X <s ' \  ¦ 5  t

 כ ¹™ è 1 p x  r– Ð — ¸+ þ A o\  ¦ : Ÿ x # Œ Al ² O 3 8 £ x \ " f_  ca- pacitance ° ú כ (C C ) õ  > €  /SiO ₂ _  capacitance° ú כ (C P )`  ¦ s

6   x # Œ EOT\  ¦ Æ Ò : r % i  . Õ ª   õ  as-grown=16.05

± 0.59 nm, after ms-LA =10.71 ± 1.97 nm – Ð ms- LA Ê ê Al ² O 3 EOT  H y Œ ™™ è   H   õ \  ¦ % 3 % 3 “ ¦, as- grown/interface = 1.1 nm, after ms-LA/interface =3.43 nm – Ð interface+SiO ² EOT  H 7 £ x    H   õ \  ¦ % 3 % 3  .

ms-LA „  Ê ê r « Ñ\  ¦ ¼ # F  g  " é ¶ > _  Cauchy — ¸4 S q`  ¦ : Ÿ x 

#

Œ ¿ ºa  þ j& h  o ° ú כ`  ¦ > í ß –ô  Ç   õ  ms-LA Ê ê Al ² O 3 8 £ x _

 ¿ ºa  y Œ ™™ è “ ¦ SiO 2 8 £ x _  ¿ ºa   H 7 £ x    H   õ \  ¦

% 3

% 3 “ ¦, s   H ¼ # F  g  " é ¶ >  ¿ ºa  þ j& h  o   õ  EOT 8 £ ¤

&

ñ   õ ü < { 9 u    H  ⠆ ¾ Ó`  ¦ t “ ¦ e ” 6 £ §`  ¦ S X ‰ “   % i  .

¢

¸ô  Ç I−V 8 £ ¤& ñ `  ¦ : Ÿ x # Œ ms-LA\  ¦ ô  Ç  â Ä º, 0V ∼ 2 V



s \ " f ¾ º[ O  „  À Ó_  y Œ ™™ è\  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” % 3  . s  Qô  Ç z 

´+ « >   õ \  ¦ : Ÿ x # Œ † ¾ ÓÊ ê high-k Ä »„  ^ ‰\  ¦  6   x   H ≤ 45 nm/ å L MOSFET ™ è _  „  l & h  : £ ¤$ í † ¾ Ó © œ\   s š ¸

×

¼ Y Us $ \  _ ô  Ç ms-LA Ä »6   x  9
  [ j@ / / å L 5

Å

q \ P % ƒo  / B N& ñ > hµ 1 Ï\  ß ¼>  l # Œ½ + É  כ Ü ¼– Ð l @ /  ) a  .

P

c p 8 ý ò k >

s

 ƒ  ½ ¨  H 2005¸  • ¸  â  B@ /† < Ɠ § t " é ¶ \  _ ô  Ç   õ e ”  (KHU-20050314). ¢ ¸ô  Ç r « Ñ\  ¦ ] j/ B N K  ŠҒ    â  B@ /† < Ɠ §

” ¸ ™ è  x 9  n Û ¼e  ¦ Y Us  ƒ  ½ ¨z  ´_  ^ ”   ^ o = ƒ  ½ ¨" é ¶, ¼ # F  g 

" é ¶ >  ¿ ºa  ì  r$ 3 `  ¦ K ŠҒ   ì ø ͕ ¸^ ‰ F  g/ B N † < Æ ƒ  ½ ¨z  ´_  ~ Ã Ì ï

 r Ä º ƒ  ½ ¨" é ¶ \ >  y Œ ™  × ¼w n m  .

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J.

Appl. Phys. 89, 5243 (2001).

[2] J.-Y. Son, S.-W. Jeong, K.-S. Kim and Yonghan Roh, J. Korean Phys. Soc. 51, S238 (2007).

[3] K. K. Ong, K. L. Pey, P. S. Lee, A. T. S. Wee, X.

C. Wang, C. H. Tung, L. J. Tang and Y. F. Chong, Appl. Phys. Lett. 89, 122113 (2006).

[4] K. S. Jones, H. Banisaukas, J. Glassberg, E. An- dideh, C. Jasper, A. Hoover, A. Agarwal and M.

Rendon, Appl. Phys. Lett. 75, 3659 (1999).

[5] Y. F. Chong, K. L. Pey, A. T. S. Wee, A. See, L.

Chan, Y. F. Lu, W. D. Song and L. H. Chua, Appl.

Phys. Lett. 76, 3197 (2000).

[6] S. Heo, H. Hwang, H. T. Cho and W. A. Krull, Appl.

Phys. Lett. 89, 243516 (2006).

[7] S.Talwar, D. Markle, M. Thompson, Solid State Technology 46, 83 (2003).

[8] Qingchun Zhang, Jidong Huang, Nan Wu, Guoxin Chen, Minghui Hong, L. K. Bera and Chunxiang Zhu, Member, IEEE Electron Device Letters 27, 728 (2006).

[9] P. Darmawan, P. S. Lee, Y. Setiawan, J. Ma and T.

Osipowicz, Appl. Phys. Lett. 91, 092903 (2007).

[10] http://www.itrs.net/Links/2006Update/FinalToPost /04 ₋ PIDS2006Update.pdf

[11] D. C. Gilmer, J. K. Schaeffer, W. J. Taylor, G.

Spencer, D. H. Triyoso, M. Raymond, D. Roan, J.

Smith, C. Capasso, R. I. Hegde and S. B.

Samavedam, Solid-State Device Research Confer- ence 2006 (Montreux, 2006), p. 351-354.

[12] Dina H. Triyoso, Greg Spencer, Rama I. Hegde, Rich Gregory and Xiang-Dong Wang, Appl. Phys. Lett.

92, 113501 (2008).

[13] Zhijiong Luo and T. P. Ma, IEEE Electron Device Letters 25, 655 (2004).

[14] Xavier Garrors, Charles Leroux and Jea-Luc, Au- tran Electrochemical and Solid-state Letters 5, F4 (2002).

[15] Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and De- vices, 2nd ed. (IRWIN, America, 1997), Chap. 10, p.

445-450.

Equivalent Oxide Thickness Reduction in Diode-laser-annealed Al ₂ O ₃ Films Fabricated by Using Atomic Layer Deposition

Joon Won Park and Haeyang Chung ^∗

Department of Applied Physics, Kyung Hee University, Yong-In 446-701

You Min Chang and Bu Yub Lyu

FINE SEMITECH CORP.(FST) Research Center, Hwasung 445-813 (Received 7 July 2008)

The effect of millisecond laser annealing on the equivalent oxide thickness (EOT) of 40-nm Al

2

O

3

films is reported. The Al

2

O

3

films were produced on p-type silicon substrate (with 1.5 nm native oxide) by using atomic layer deposition (ALD) and were annealed by using a 940-nm, 400 W diode laser for less than 1 ms. The values of the EOT of the Al

2

O

3

layers were extracted by using the five-element equivalent circuit model, which takes into account the frequency-dependent C−V and G−V data under accumulation conditions (−2 V bias). The procedure reveals that the EOT of the as-grown Al

2

O

3

sample significantly reduced from 16.05 ± 0.59 nm to 10.71 ±1.97 nm after ms laser annealing. An ellipsometry analysis confirmal that the thickness of Al

2

O

3

films was clearly decreased. A reduction in the leakage current was also observed.

PACS numbers: 61.72.C, 07.90.+c

Keywords: Millisecond Laser annealing (ms−LA), Equivalent oxide thickness (EOT), High-k dielectric ma- terial, Leakage current

∗

E-mail: [email protected]