Modulation of electron barriers between TiNx and oxide insulators (SiO2, Al2O3) using Ti interlayer

工作职能 氧化物 费米能级 金属 材料科学 分析化学(期刊) 溅射 电子 化学 纳米技术 薄膜 冶金 物理 色谱法 量子力学
作者
Francesca De Stefano,Valeri Afanas’ev,Michel Houssa,Ludovic Goux,Karl Opsomer,M. Jurczak,A. Stesmans
出处
期刊:Physica Status Solidi A-applications and Materials Science [Wiley]
卷期号:211 (2): 382-388 被引量:5
标识
DOI:10.1002/pssa.201330210
摘要

Precise evaluation of the effective work function and the built‐in voltage in metal–oxide–metal (MOS) or metal–insulator–metal (MIM) stacks is crucial for attaining the functionality of various oxide‐based electron devices. We studied the impact of a low work function (WF) metal interlayer (IL), i.e. Ti, on the electron barrier height between the metal Fermi level and the conduction band of the oxide insulator. The experiments were performed on structures comprised of a layer of thermal SiO 2 or an atomic layer deposited Al 2 O 3 on heavily doped p‐ or n‐Si substrates. In order to evaluate the impact of the Ti IL, 3, 6 or 10 nm thick Ti films have been deposited prior to TiN x sputtering. Spectral curves of electron photoemission from the metal layer into the oxide were analyzed in order to determine the energy barrier for electrons between the Fermi level of the metal and the conduction band of the insulator ( Φ e ). As expected, the insertion of the low WF metal shifts the barrier to lower energies, depending on the IL thickness. However, while a 3‐nm thick Ti IL is sufficient to lower the barrier by 0.5 eV in the SiO 2 ‐based stack, it has no measurable impact on the barrier in the Al 2 O 3 /Ti/TiN x stack. For the latter structure, both Ti and the Al 2 O 3 thicknesses influence the Φ e lowering trend, suggesting that oxygen scavenging from Al 2 O 3 by Ti and nitridation of the Ti IL by subsequent TiN deposition may affect the band alignment between the metal and the oxide.
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