3-dimensional integration has become a standard to further increase the transistor density and to enhance the integrated functionality in microchips. Integrated circuits are stacked on top of each other and copper-filled through-silicon VIAs (TSVs) are the industry-accepted choice for their vertical electrical connection. The aim of this work is to functionalize the TSVs by implementing vertical field-effect transistors inside the via holes. The front and back sides of 200 ... 300 µm thin silicon wafers were doped to create the source/drain regions of n- and p-FETs. The TSVFETs showed very stable saturation currents and on/off current ratios of about 10^6 (n-TSVFET) and 10^3 (p-TSVFET) for a gate voltage magnitude of 4V. The use of hafnium zirconium oxide on a thin SiO_2 interface layer as gate dielectric material in a p-TSVFET, enabled the implementation of a charge trapping memory inside the TSVs, showing a memory window of about 1V. This allows the non-volatile storage of the transistor on/off state. In addition, the demonstration of the use of gallium as the source/drain dopant in planar p-FET test structures (ion implanted from a focused ion beam tool) paves the way for maskless doping and for a process flow with a low thermal budget. It was shown, that ion implanted gallium can be activated and annealed at relatively low temperatures of 500 °C ... 700 °C.:Abstract / Kurzzusammenfassung Danksagung Index I List of Figures III List of Tables X List of Symbols XI List of Abbreviations XV 1 Introduction 1 2 Fundamentals 5 2.1 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) 5 2.1.1 Historical Development - Technological Advancements 7 2.1.2 Field-Effect Transistors in Semiconductor Memories 10 2.2 3D Integration and the Use of TSVs (Through Silicon VIAs) 16 2.3 Doping of Silicon 19 2.3.1 Doping by Thermal Diffusion 20 2.3.2 Doping by Ion Implantation 22 3 Electrical Characterization 24 3.1 Resistivity Measurements 24 3.1.1 Resistance Determination by Four-Point Probes Measurement 24 3.1.2 Contact Resistivity 27 3.1.3 Doping Concentration 32 3.2 C-V Measurements 35 3.2.1 Fundamentals of MIS C-V Measurements 35 3.2.2 Interpretation of C-V Measurements 37 3.3 Transistor Measurements 41 3.3.1 Output Characteristics (I_D-V_D) 41 3.3.2 Transfer Characteristics (I_D-V_G) 42 4 TSV Transistor 45 4.1 Idea and Motivation 45 4.2 Design and Layout of the TSV Transistor 47 4.2.1 Design of the TSV Transistor Structures 47 4.2.2 Test Structures for Planar FETs 48 5 Variations in the Integration Scheme of the TSV Transistor 51 5.1 Doping by Diffusion from Thin Films 51 5.1.1 Determination of Doping Profiles 52 5.1.2 n- and p- TSVFETs Doped Manufactures by the Use of the Diffusion Technique 59 5.2 Ferroelectric Hafnium-Zirconium-Oxide (HZO) in the Gate Stack 81 5.2.1 Planar ferroelectric p-MOSFETs Doped by Thermal Diffusion 82 5.2.2 p-TSVFETs with Hafnium-Zirconium-Oxide Metal Gate 90 5.3 Doping by Ion Implantation of Gallium with a Focused Ion Beam (FIB) Tool 96 5.3.1 Ga doped Si Diodes 97 5.3.2 Planar p-MOSFETs Doped by Ga Implantation 108 5.3.3 Proposal for a parallel integration of Cu TSVs and p-TSVFETs 117 6 Summary and Outlook 120 Bibliography XVIII A Appendix XXXVI A.1 Resistivity and Dopant Density XXXVI A.2 Mask set for the TSVFET XXXVII A.3 Mask Design of the Planar Test Structures XXXVIII Curriculum Vitae XXXIX List of Scientific Publications XLI

Στη παρούσα Διατριβή διερευνήθηκε η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k) ως οξειδίων ελέγχου σε διατάξεις παγίδευσης φορτίου τύπου MONOS (Μetal-Οxide-Νitride-Οxide-Silicon). Τα οξείδια που εξετάστηκαν ήταν το HfO2, τo ZrO2 και το Al2O3. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Οι ιδιότητες των δομών μνήμης μελετήθηκαν συναρτήσει: (α) των πρόδρομων μορίων της εναπόθεσης για τα HfO2 και ZrO2, (β) του οξειδωτικού μέσου της εναπόθεσης για την περίπτωση του Al2O3 και (γ) της επακόλουθης ανόπτησης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών εξετάστηκε με την κατασκευή πυκνωτών τύπου MOS. Τα υμένια του HfO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με (α) αλκυλαμίδιο του χαφνίου (ΤΕΜΑΗ) και Ο3 στους 275 oC, και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του χαφνίου (HfD-04) και Ο3 στους 350 οC. Ομοίως, τα υμένια του ZrO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με: (α) αλκυλαμίδιο του ζιρκονίου (ΤΕΜΑΖ) και Ο3 στους 275 oC και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του ζιρκονίου (ZrD-04) με Ο3 στους 350 oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός, για το HfO2, φανέρωσε πως η ύπαρξη ή όχι κρυσταλλικού χαρακτήρα και η σύσταση του οξειδίου εξαρτάται τόσο από το πρόδρομο μόριο αλλά και από την ανόπτηση (600 οC, 2 min). Αντίθετα, το ZrO2 έχει σε κάθε περίπτωση κρυσταλλικότητα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt, δείχνουν ότι οι δομές έχουν ικανοποιητική συμπεριφορά ως στοιχεία μνήμης αφού όλες οι ιδιότητες πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις ως στοιχεία μνήμης, παρά την ανυπαρξία ενεργειακού φραγμού μεταξύ στρώματος παγίδευσης και οξειδίου ελέγχου. Η ικανότητα παγίδευσης και η επίδοση των δομών με HfO2 και ZrO2 δεν διαφοροποιούνται σημαντικά με χρήση διαφορετικού πρόδρομου μορίου ή με την ανόπτηση. Ο έλεγχος όμως της αντοχής των δομών σε επαναλαμβανόμενους παλμούς εγγραφής/διαγραφής αναδεικνύει ότι αμφότερες οι δομές που ανεπτύχθησαν με βάση το κυκλοπενταδιενύλιο έχουν μειωμένη αντοχή ηλεκτρικής καταπόνησης. Τo Al2O3 αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το μόριο ΤΜΑ και ως οξειδωτικό μέσο: (α) H2O, (β) O3 και (γ) Plasma Ο2 (μέθοδος PE-ALD) σε συνδυασμό με ΤΜΑ. Οι δομές στην αρχική κατάσταση, χωρίς ανόπτηση, χαρακτηρίζονται από ισχυρό ρεύμα έγχυσης ηλεκτρονίων από την πύλη (υπό αρνητικές τάσεις) περιορίζοντας την ικανότητα φόρτισης και την επίδοση διαγραφής. Η ανόπτηση σε φούρνο και αδρανές περιβάλλον (850 ή 1050 oC, 15 min) προκάλεσε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών λόγω του σημαντικού περιορισμού του παραπάνω φαινομένου. Μετά το στάδιο της ανόπτησης οι συνδυασμοί ΤΜΑ/Η2Ο και ΤΜΑ/Plasma Ο2 έχουν καλύτερες χαρακτηριστικές σε σχέση με αυτές του συνδυασμού ΤΜΑ/Ο3. Το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων από την πύλη αποδίδεται στη μεγάλη συγκέντρωση και χωρική κατανομή του υδρογόνου στο υμένιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Τέλος, διερευνήθηκε η τροποποίηση των ιδιοτήτων μνήμης των δομών με εμφύτευση ιόντων αζώτου χαμηλής ενέργειας και υψηλής δόσης στο Al2O3 και επακόλουθη ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας. Η παρουσία αζώτου στο υμένιο καθώς και ο χημικός δεσμός του εμφυτευμένου αζώτου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας ανόπτησης. Επομένως, οι ιδιότητες μνήμης εξαρτώνται από τη μορφή σύνδεσης και την συγκέντρωση του εμφυτευμένου αζώτου στο τροποποιημένο Al2O3. Η υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης (1050 οC, 15 min) φαίνεται να αποφέρει δομές με τις καλύτερες ιδιότητες μνήμης. / This thesis studies the functionality of high-k oxides as blocking oxide layers in SONOS type charge-trap memory devices. The oxide materials that were examined were the HfO2, the ZrO2 and the Al2O3. All these blocking oxide layers were deposited by atomic layer deposition technique (ALD). The electrical performance of the trilayer stacks was examined using Pt-gate MOS-type capacitors. The properties of the memory structures were examined as a function of: (a) precursor chemistry of HfO2 and ZrO2 deposition, (b) the deposition oxidizing agent in the case of Al2O3 and (c) subsequent high temperature annealing steps. The HfO2 films were deposited on SiO2/Si3N4 bilayer stacks using: (a) hafnium alkylamide (TEMAH) and O3 at 275 oC, and (b) hafnium cyclopentadienyl (HfD-04) and O3 at 350 oC. Similarly the ZrO2 films were deposited by (a) zirconium alkylamide (TEMAZ) and O3 at 275 oC, and (b) zirconium cyclopentadienyl (ZrD-04) and O3 at 350 oC The structural characterization of the HfO2 showed that the crystallinity of the deposited high-k material depends on the precursor choice and the post deposition annealing step (600 °C, 2 min). On the contrary ZrO2 is deposited in a crystalline phase independent of the deposition conditions and the choice of the precursors. The electrical characterization of Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt capacitors showed that all fabricated structures operate well as memory elements, despite the absence of an energy barrier between the trapping layer and control oxide. The trapping efficiency and the performance of structures with HfO2 or ZrO2 blocking layers do not revealed a dependence upon the precursor chemistry. However, endurance testing using continuous write/erase pulses showed that both structures deposited by cyclopentadienyl precursors cannot sustain the resulting electrical stress. The Al2O3 layers were deposited using the TMA molecule while three different oxidizing agents were used: (a) H2O, (b) O3 and (c) oxygen plasma. Electrical testing of the resulting Pt-gate trilayer capacitors showed that in the deposited condition all three samples were characterized by gate electrode induced electron leakage currents in the negative bias regime, which completely masked the substrate hole injection effects. This effect limits the performance and the functionality of the memory stacks. After a high temperature annealing step (850 or 1050 oC, 15 min) this leakage current is reduced significantly and the stacks can function as memory elements. The results point to suggest that after annealing the best performance is exhibited by the TMA/H2O and TMA/Plasma O2 samples. The effect of gate induced electron leakage current is attributed to hydrogen related contamination, which has been verified by ToF-ERDA in depth profile measurements, at least for the case of TMA/H2O samples. The modification of the memory properties of the SiO2/Si3N4/Al2O3 stacks was also investigated using low energy and high fluence nitrogen implantation into Al2O3 layer. The concentration and the chemical bonding of the implanted nitrogen is a function of annealing temperature. The memory properties of the stack depend therefore on the chemical bonding and the concentration of the remaining nitrogen in the modified Al2O3. The high temperature annealing (1050 oC, 15 min) appears to provide the structures with improved memory properties in terms of retention and fast erase performance.