We report the fabrication and characterization of atomic layer deposition (ALD)-titanium oxide (TiO ₂ )/ silicon oxynitride (SiON)/n-Si gate-stack with ultrathin SiON (~4.46 nm) as an interfacial layer (IL) grown prior on the Si substrate followed by postdeposition annealing (PDA) of ALD-TiO ₂ in O ₂ ambient and N ₂ ambient. The structural characterization comprises the atomic force microscopy (AFM), the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the field emission scanning electron microscopy (FESEM), and the energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDAX), whereas the electrical characterization includes capacitance–voltage ( ${C}$ – ${V}$ ), conductance–voltage ( ${G}$ ,– ${V}$ ), and current–voltage ( ${I}$ – ${V}$ ) measurements for the extraction of dielectric constant ( ${k}$ ), interface trap density ( ${D}_{it}$ ), effective oxide thickness (EOT), series resistance ( ${R}_{s}$ ), leakage current density (J), effective oxide charge ( ${Q}_{eff}$ ), barrier height ( $\Phi _{bo}$ ), ideality factor ( $\eta $ ), and breakdown voltage ( ${V}_{br}$ ). The determined values of ${k}$ , ${D}_{it}$ , EOT, ${R} _{s}$ , ${J}$ , ${Q}_{eff}, \Phi _{bo}$ , $\eta $ , and ${V}_{br}$ are 44, $6.3\times 10^{12}$ eV ⁻¹ cm ⁻² , 1.4 nm, 0.0623 $\text{K}\Omega $ , $2.5\times 10^{-10}$ A/cm ² , $0.76\times 10 ^{15}$ cm ⁻² , 0.423, 1.6, and −0.34, respectively. The pregrowth of SiON IL prior to TiO ₂ deposition has passivated the traps at the interface of SiON/TiO ₂ , and the annealing of TiO ₂ film in N ₂ ambient has further worked over the existing challenges associated with scalability and gate leakage current.

中文翻译：

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先进CMOS器件应用的ALD-TiO ₂ / SiON / n-Si栅堆叠的结构和电气特性

我们报告了原子层沉积（ALD）-氧化钛（TiO ₂ ）/氮氧化硅（SiON）/ n-Si栅叠层的制造和表征，该层 具有先前生长的超薄SiON（〜4.46 nm）作为界面层（IL）在Si衬底上进行沉积，然后在O ₂环境和N ₂环境中对ALD-TiO ₂进行 后沉积退火（PDA） 。结构表征包括原子力显微镜（AFM），傅立叶变换红外光谱（FTIR），场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDAX），而电学特征包括电容-电压 （ $ {C} $ – $ {V} $ ），电导-电压（ $ {G} $ ，– $ {V} $ ）和电流-电压（ $ {I} $ – $ {V} $ ）测量介电常数（ $ {k} $ ），界面陷阱密度（ $ {D} _ {it} $ ），有效氧化物厚度（EOT），串联电阻（ $ {R} _ {s} $ ），漏电流密度（J），有效氧化物电荷（ $ {Q} _ {eff} $ ），障碍物高度（ $ \ Phi _ {bo} $ ），理想因子（ $ \ eta $ ）和击穿电压（ $ {V} _ {br} $ ）。的确定值 $ {k} $ ， $ {D} _ {it} $ ，EOT， $ {R} _ {s} $ ， $ {J} $ ， $ {Q} _ {eff}，\ Phi _ {bo} $ ， $ \ eta $ ， 和 $ {V} _ {br} $ 是44 $ 6.3 \乘以10 ^ {12} $ 电子伏特 ^-1 厘米 ^-2 ，1.4纳米，0.0623 $ \ text {K} \ Omega $ ， $ 2.5 \乘以10 ^ {-10} $ A / cm ² ， $ 0.76 \乘以10 ^ {15} $ 厘米 ^-2 ，0.423，1.6，和-0.34，分别。在TiO ₂沉积之前，SiON IL的预生长 已经钝化了SiON / TiO ₂界面处的陷阱 ，并且在N ₂环境中TiO ₂膜 的退火 进一步解决了与可扩展性和栅极泄漏电流相关的现有挑战。