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研究生： 王子朕
論文名稱： HfTaN薄膜之製備及作為MOS元件閘電極之特性研究
Preparation of HfTaN Thin Film and Its Characteristics as Gate Electrode of MOS device
指導教授： 張廖貴術
Kuei-Shu Chang-Liao
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 152
中文關鍵詞： 金屬閘極 、功函數 、介電層 、氮組成比 、熱穩定性 、可靠度
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    • 金氧半場效電晶體成功的微縮了100 倍。但是微縮到0.1 微米以下時，複晶矽閘面臨許多不易克服的問題。這些問題有複晶矽空乏、P 型電晶體的硼穿透問題、複晶矽的電阻係數偏高等問題，而金屬閘極可以同時解決上述三項問題。本論文實驗研究可分為四大部份：
    第一部分為以不同hafnium (Hf)和tantalum (Ta) 組成比的HfxTayN閘電極和PMA(Post Metal Annealing)溫度來研究元件電特性。實驗結果發現Hf0.27Ta0.58N0.15具有最薄的EOT、最小的磁滯、最佳的可靠度，即使經過950oC 45秒的退火，對功函數、EOT、漏電流、Dit的影響也不明顯。
    第二部分為以HfOxNy當作介電層，在其上沉積Hf0.27Ta0.58N0.15閘電極，和傳統的TaN閘電極比較，實驗結果發現Hf0.27Ta0.58N0.15閘電極具有較好的熱穩定性以及可靠度。
    第三部分為以Hf0.27Ta0.58N0.15作為金屬閘極，搭配垂直爐管所成長的超薄閘氧化層，期望閘電極金屬中的Hf、Ta能和超薄SiO2反應形成EOT在1nm以下的新介電層，此介電層和基板間的介面為SiO2，因此新介電層能擁有完美的介面。實驗結果發現，使用垂直爐管所成長出的二氧化矽(ISHC SiO2)薄膜擁有較薄且具均勻性的EOT，在可靠度方面如磁滯、SILC、Dit上也有優異的特性。即使經過950oC 45秒的退火，對EOT、漏電流、磁滯、SILC、Dit的影響也不明顯。
    第四部分為以不同氮組成比的HfTaNx閘電極和PMA(Post Metal Annealing)溫度來研究元件電特性，實驗結果發現Hf0.15Ta0.34N0.51閘電極擁有大約4.2eV且熱穩定性良好的功函數。

    第一章 序論 1.1 研究動機……………………………………………………………1 1.2金氧半閘電極材料的選擇…………………………………………..2 1.3高介電常數材料的選擇……………………………………………..4 1.4 HfTaN閘電極……………………………………………………….4 1.5論文架構…………………………………………………………….5 第二章 元件製程與量測 2.1 HfxTayN Metal gate MOS Capacitor元件製程…………………….8 2.2 HfOxNy MOS capacitor元件製程…………………………………11 2.3 Hf0.27Ta0.58N0.15 metal gate MOS capacitor元件製程……………..14 2.4 HfTaNx metal gate MOS capacitor元件製程……………………..18 2.5 金氧半電容特性量測…………………………………………….21 2.5.1電容-電壓特性量測……………………………………………..21 2.5.2 電流-電壓特性量測……………………………………………22 2.5.3 金屬功函數的萃取…………………………………………….22 2.5.4 介面捕獲電荷密度(Interface Trap Density，Dit)的萃取……..22 2.6 物性與材料分析…………………………………………………23 2.6.1化學分析電子光譜儀…………………………………………..23 2.6.2二次離子質譜儀………………………………………………..24 第三章HfxTayN閘電極組成比及不同溫度退火對金氧半元件電特性之研究 3.1 研究動機…………………………………………………………26 3.2 製程與量測…………………………………………………… ...28 3.2.1 製程條件……………………………………………………….28 3.2.2 量測參數……………………………………………………….28 3.3 實驗結果與討論…………………………………………………30 3.3.1 HfxTayN閘電極內不同Hf及Ta組成比之比較…………… ..30 3.3.2 HfxTayN閘電極沉積後不同退火溫度(PMA)之比較…………33 3.4 結論………………………………………………………………36 第四章Hf0.27Ta0.58N0.15閘電極其介電層為HfOxNy金氧半元件之特性研究 4.1 研究動機 ………………………………………………………..55 4.2 製程與量測………………………………………………….56 4.2.1 製程條件…………………………………………………..56 4.2.2 量測參數…………………………………………………..57 4.3 實驗結果與討論…………………………………………….59 4.3.1 Hf0.27Ta0.58N0.15閘電極搭配不同介電層(HfOxNy、SiO2)之比較 4.3.2 Hf0.27Ta0.58N0.15閘電極搭配不同介電層(HfOxNy、SiO2)不同退火溫度下之比較 …………………………………………………..61 4.3.3 HfOxNy介電層搭配不同閘電極(Hf0.27Ta0.58N0.15、TaN)之比較 4.3.4 HfOxNy介電層搭配不同閘電極(Hf0.27Ta0.58N0.15、TaN)不同退火溫度之比較 ………………………………………………………..65 4.4 結論 ………………………………………………………..68 第五章使用垂直爐管成長閘氧化層對金氧半元件之特性研究 5.1 研究動機 …………………………………………………94 5.2 製程與量測 ………………………………………………..95 5.2.1 製程條件 ………………………………………………...95 5.2.2 量測參數………………………………………………….96 5.3 實驗結果與討論……………………………………………98 5.3.1 針對不同氧化層成長方法(垂直爐管、水平爐管)之比較 5.3.2使用垂直爐管和水平爐管成長閘氧化層在不同退火溫度下之比較……………………………………………………………….100 5.4 結論……………………………………………………….103 第六章HfTaNx閘電極組成比及不同溫度退火對金氧半元件電特性之研究 6.1 研究動機…………………………………………………...119 6.2 製程與量測………………………………………………...121 6.2.1 製程條件………………………………………………...121 6.2.2 量測參數………………………………………………...121 6.3 實驗結果與討論…………………………………………..123 6.3.1 HfTaNx閘電極內不同氮組成比之比較……….123 6.3.2 HfTaNx閘電極沉積後不同退火溫度(PMA)之比較……126 6.4 結論………………………………………………………..129 第七章 結論 7.1 結論………………………………………………………..147 參考文獻

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