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研究生： 蔡坤宏
Tsai Kuen Hong
論文名稱： 應用氮化閘鉿鋁氧化介電層及矽鍺通道以提升金氧半元件電特性之研究
Enhanced electrical characteristics of MOS devices by nitrided HfAlO gate dielectric and SiGe channel
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 100
中文關鍵詞： 高介電係數 、鉿鋁氧化 、矽鍺 、金屬有機化學汽相沈積 、金氧半
外文關鍵詞： High-k, HfAlO, SiGe, MOCVD, MOS
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    • 為了持續改善元件的性能，金氧半元件之閘極氧化層 (SiO2) 的厚度必須繼續縮小，然而極薄的閘極氧化層SiO2常伴隨著高的閘極漏電流，對於IC應用而言是一個很嚴重的問題。在金氧半元件中為了減少閘極漏電流，High-k材料已被廣泛使用來取代二氧化矽作為金氧半元件的閘極介電層，因為它可維持相同的EOT下成長較大物理厚度的氧化層進而減少閘極漏電流。
    本論文首先研究MOCVD成長之介電層HfO2，利用化學氧化層介面處理改善MOCVD之介電層HfO2，在成長High-k之前以化學氧化層介面處理後，成功的使EOT特性上獲得明顯的微縮。在介面特性、可靠度方面，顯示樣品經化學氧化層介面處理後，對於元件操作的穩定性上都有顯著的提升。此外，為了改善HfO2熱穩定性的問題，我們進一步在介電層中摻入鋁使介電層成為HfAlO。由物性分析XRD可知，HfAlO明顯提升了熱穩定性，電特性上也進一步得到改善。
    為了進一步得到提升元件可靠度，在第二部分，我們使用MOCVD成長之HfAlO為介電層， 以電漿浸潤式離子佈植(PIII)的方式，從閘極上方摻雜N至介電層中。結果顯示，氮化後介電層能夠抑制外來雜質的侵入，擁有較佳的元件操作特性，而佈植的條件以2.5KeV、10分鐘最為最佳。
    為了提升載子遷移率，改善元件的操作速度，在第三部分，針對金氧半電容在不同矽鍺比例之載子通道及不同Si覆蓋層厚度做探討，發現鍺含量於20.84%為較恰當的組成比，因為其EOT和漏電流沒有因為基板的應力釋放，產生過多的劣化，元件在可靠度Stress CV及SILC亦有相當的穩定度；而在不同Si覆蓋層厚度部分，發現當厚度小於2 nm時，將造成元件電特性的劣化及不穩定性，因此覆蓋層厚度以不小於2 nm為原則。

    摘要 致謝 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2為何使用high-k介電層 1 1.3高介電常數材料的選擇 2 1.4張力應變對矽之電子特性的影響 3 1.5論文架構 5 參考文獻 11 第二章 元件製程與量測 12 2.1金屬閘極TaN搭配MOCVD成長之介電層HfO2/ HfAlO與化學氧化層之金氧半電容元件製作流程 12 2.1.1晶片刻號和晶背處理 13 2.1.2閘極介電層沉積 13 2.1.3金屬閘極TaN沉積及退火處理 13 2.2自閘極TaN氮化介電層HfAlO之金氧半電容元件製作流程 14 2.2.1晶片刻號和晶背處理 14 2.2.2閘極介電層沉積 14 2.2.3金屬閘極TaN沉積及離子佈植氮化處理 15 2.3 HfAlO閘介電層在不同矽鍺比例及不同矽覆蓋層厚度之金氧半電容元件製作流程 15 2.3.1晶片刻號和晶背處理 16 2.3.2 Si/Si1-xGex層磊晶和閘極介電層沉積 16 2.3.3金屬閘極TaN沉積及退火處理 16 2.4金氧半電容電性量測 17 2.4.1 電容-電壓 (C-V) 特性量測 17 2.4.2 電流-電壓 (I-V) 特性量測 18 2.4.3 遲滯 (Hysteresis) 特性量測 18 2.4.4 Stress-Induced Vfb shift (△Vfb) 特性量測 19 2.4.5 Stress-Induced Leakage Current (SILC) 特性量測 19 2.4.6 萃取界面捕獲電荷密度(Interfac Trap Density, Dit) 19 2.5 金氧半電容物性與材料分析 20 2.5.1 X 射線光電子能譜儀 XPS 20 2.5.2 X光粉末繞射儀 (X-ray Powder Diffractometer) 20 2.5.3二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS) 21 第三章 MOCVD之HfO2閘介電層介面處理及Al摻入對金氧半電容特性之研究 26 3.1研究動機 26 3.2製程與量測 27 3.2.1製程條件 27 3.2.2量測參數 28 3.3實驗結果與討論 30 3.3.1化學氧化層對於MOCVD成長之HfO2之影響 30 3.3.2 鋁摻入對於介電層HfO2的影響 34 3.4結論 37 參考文獻 47 第四章 應用電漿浸潤式離子佈植氮化介電層之金氧半元件特性研究 48 4.1研究動機 48 4.2製程與量測 50 4.2.1製程條件 50 4.2.2量測參數 51 4.3實驗結果與討論 53 4.3.1 PII在不同離子佈植時間下對MOS元件之比較 53 4.3.2 PIII在不同佈植能量下對MOS元件之比較 57 4.4結論 60 參考文獻 73 第五章 HfAlO閘介電層在不同矽鍺比例載子通道及不同矽覆蓋層厚度下對金氧半元件特性之研究 74 5.1研究動機 74 5.2製程與量測 76 5.2.1製程條件 76 5.2.2測量參數 77 5.3實驗結果與討論 79 5.3.1介電層HfAlO在不同矽鍺比例之比較 79 5.3.2介電層HfAlO在不同Si覆蓋層厚度之比較 82 5.4結論 86 參考文獻 98 第六章 結論 99

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