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研究生: 歐俊庭
Ou, Chun-Ting
論文名稱: 以鎢為主高功函數金屬閘極之金氧半元件製程研究
Process Study for MOS Devices with Tungsten Based High Work Function Metal Gates
指導教授: 張廖貴術
Chang-Liao, Kuei-Shu
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: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 95
中文關鍵詞: 高功函數
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  • 為了改善MOSFET電晶體的性能,元件的尺寸被要求越來越小,許多新穎的研究成果已被發表出來,其中,高功函數金屬閘極的研究相當引人注目。
    本論文研究的重點放在高功函數金屬閘極和cap layer 金屬的材料選擇上。第一部份為研究WHfxN(WHf_H)和TiN/WHfxN(TWHf_H),運用在high-k介電層材料 HfAlO。根據學長的研究結果,單層WHf_H的電特性極佳。沉積cap layer TiN主要的想法是,它能阻擋外界的氧原子進入而向下擴散,並保留單層WHf_H的電特性。由實驗結果發現,TWHf_H 因為有cap layer TiN的作用,在經過高溫退火之後,雖然抑制了氧原子的擴散,使得EOT和Jg的熱穩定性較好。但在可靠性上的表現則較差。功函數方面,兩種結構功函數在PMA900oC下仍有5.02 eV以上,相當適合於pMOS元件的應用。
    第二部分為探討堆疊金屬閘極TiN/WN (TW_H)和TiN/WHfxN(TWHf_H ),並運用在high-k介電層材料 HfAlO。摻雜Hf主要的想法是,期望能改善金屬閘極和閘介電層之間的介面品質。由實驗結果發現,TWHf_H在經過高溫退火之後,在多項電特性都獲得改善。在功函數的熱穩定性上,摻雜Hf使得結晶更完美,功函數也較好,適合於pMOS元件的應用。
    第三部分探討堆疊金屬閘極TiN/WN(TW_H)和TaTixN/WN(TaTiW_H),並運用在high-k介電層材料 HfAlO。延續第一部分,由於TW_H在經過高溫退火之後,Ti擴散較為嚴重,所以在TiN摻雜Ta,期望能抑制Ti擴散。由實驗結果發現,TaTiW_H閘極在經過高溫退火之後,氧原子和金屬離子的擴散並不明顯,故其熱穩定性和可靠度都獲得改善。功函數方面,TaTiW_H 高功函數結晶更明顯,功函數較大,適合於pMOS元件的應用。


    目錄 摘要………… i 誌謝………… ii 圖目錄………. vii 表目錄…………. xi 第一章:序言 1 1.1研究金屬閘電極之動機 1 1.2最近金屬閘電極的研究 2 1.3金屬閘極面臨的挑戰 3 1.4論文架構 5 第二章:元件製程與量測 11 2.1高功函數金屬閘極金氧半電容元件之製作流程 11 2.1.1晶片刻號和晶背處理 11 2.1.2成長閘極介電層 11 2.1.3沉積堆疊式金屬閘極 TiN/MoN and TiN/MoN/TiN 12 2.1.4沉積單層式及合金式金屬閘極 WN and WxHfN 13 2.2金氧半電容電性量測 13 2.3金氧半電容物性與材料分析 17 2.3.1 X光粉末繞射儀 (X-ray Powder Diffractometer) 17 2.3.2二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer) 18 第三章: 不同金屬後退火溫度對單層WHfxN和堆疊式TiN/WHfxN金屬閘極與閘介電層為HfAlO之金氧半元件特性影響研究……….. 24 3.1研究動機 24 3.2製程與量測 25 3.2.1製程條件 25 3.2.2量測參數 26 3.3實驗結果與討論 27 3.3.1 WHfxN和TiN/WHfxN為金屬閘極施以不同PMA溫度探討其擴散物性分析 27 3.3.2 WHfxN和TiN/WHfxN為金屬閘極施以不同PMA溫度探討其熱穩定性與可靠性分析 29 3.4結論 33 第四章:不同金屬後退火溫度對具有TiN/WN及TiN/WHfxN堆疊式金屬閘極與閘介電層為HfAlO之金氧半元件特性影響研究 47 4.1研究動機 47 4.2製程與量測 48 4.2.1製程條件 48 4.2.2量測參數 49 4.3實驗結果與討論 50 4.3.1 TiN/WN及TiN/WHfN堆疊式金屬閘極之擴散物性分析 50 4.3.2 TiN/WN及TiN/WHfxN堆疊式金屬閘極之熱穩定性與可靠性分析 51 4.4結論 55 第五章:不同金屬後退火溫度對具有TiN/WN及TaTixN/WN金屬閘極與閘介電層為HfAlO之金氧半元件特性影響研究 69 5.1研究動機 69 5.2製程與量測 70 5.2.1製程條件 70 5.2.2量測參數 71 5.3實驗結果與討論 72 5.3.1 TiN/WN及TaTixN/WN堆疊式金屬閘極之擴散物性分析 72 5.3.2 TiN/WN及TaTixN/WN堆疊式金屬閘極之之熱穩定性與可靠性分析 73 5.4結論 77 第六章:結論…………..………………………..…………………….…..…………………... 90 參考文獻 92

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