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研究生： 高憲言
Hsien-Yen Kao
論文名稱： 閘極介電層HfON摻雜金屬(Ti/Ta/Al)及界面層金氧半元件之電特性改善
Improved Electrical Properties of MOS Devices by Metal(Ti/Ta/Al) Doped HfON And Engineered Interface Layer
指導教授： 王天戈
T.K. Wang
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： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 150
中文關鍵詞： 高介電 、鉿 、鈦 、鉭 、鋁
外文關鍵詞： dielectric, Hf, Ti, Ta, Al
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    • 為了解決在元件閘極氧化層厚度快速縮小的趨勢下，隨之產生的閘極漏電流過高之問題，尋找新型閘極介電層材料以替代原先二氧化矽介電層，是當今非常重要的一個課題。為了解決這些問題，本論文使用Si表面氮化方式及金屬(Ti/Ta/Al)摻雜HfOxNy作為高介電常數閘極介電層，並且使用TaN為電極，之後再疊上Al完成金氧半電容元件。本論文實驗研究可分為四大部分：
    第一部分則是在HfOxNy沉積前，對基板施以不同製程條件的前處理，來研究對於元件特性的影響。得知矽半導體表面之氮化處理可有效減少介電層雜質擴散之進入，同時也抑制晶圓內含氧之外擴散而形成表面氧化層，以降低介面陷阱密度。本實驗以爐管表面氮化處理及電漿表面氮化處理後的基板，對於元件的電特性，得知適量的氮化處理對EOT、漏電流、SILC、Stress CV、Dit、崩潰電壓等特性，都有較佳的表現。
    第二部分為Ti摻雜HfON的HfxTiyOzN介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度以及不同厚度的HfON當作緩衝層來探討對HfxTiyOzN金氧半電容電特性的影響。由實驗結果中我們發現，當PDA的溫度在900℃時，元件可以有較小的閘極漏電流，而當Buffer layer變厚時，則元件的可靠度如在SILC、Stress CV、磁滯、Dit等特性上可以顯著提升。
    第三部分我們探討的是Ta摻雜HfON的HfxTayOzN閘極介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度以及不同厚度的HfON當作緩衝層。可以得知，當緩衝層變厚或PDA的溫度在900℃時，會有較低的漏電流，而當HfxTayOzN的Ta含量增加的時候，雖然因為Band Offset使漏電流變大，但是元件的可靠度如在SILC、Stress CV、磁滯、Dit等特性上可以顯著提升。
    第四部分則是在比較HfxAlyOzN閘極介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度及不同Al摻雜HfON的HfxAlyOzN介電層的比例，來研究對於元件特性的影響。結果我們發現，當Al比例提高和PDA900oC時，可使EOT下降到約為1.19nm，且SILC、Stress CV、Dit等特性上可以顯著提升。

    摘要 誌謝 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 序論 1.1 研究動機……………………………………………………………1 1.2高介電常數材料的選擇 ……………………………………………2 1.3high-k介電層 ………………………………………………………4 1.4論文概要 ……………………………………………………………5 第二章 元件製程與量測 2.1 矽半導體和HfOxNy界面氮化MOS Capacitor元件製程 …………9 2.2 HfxTiyOzN閘極介電層MOS Capacitor元件製程…………………13 2.3 HfxTayOzN閘極介電層MOS Capacitor元件製程…………………17 2.4 HfxAlyOzN閘極介電層MOS Capacitor元件製程…………………20 2.5 金氧半電容特性量測………………………………………………24 2.5.1電容-電壓特性量測………………………………………………24 2.5.2 電流-電壓特性量測 ……………………………………………25 2.5.3 介面捕獲電荷密度(Interface Trap Density，Dit)的萃取 25 2.6 物性與材料分析……………………………………………………25 2.6.1化學分析電子光譜儀 ……………………………………………26 2.6.2 X光繞射儀 ………………………………………………………26 2.6.3二次離子質譜儀 …………………………………………………27 第三章 應用電漿表面處理以改善矽半導體界面與元件特性研究 3.1 研究動機……………………………………………………………38 3.2 製程與量測…………………………………………………………40 3.2.1 製程條件…………………………………………………………40 3.2.2 量測參數…………………………………………………………40 3.3 實驗結果與討論……………………………………………………42 3.3.1物性分析 …………………………………………………………42 3.3.2矽半導體界面不同氮化之基本電性比較 ………………………43 3.3.3矽半導體界面不同氮化之可靠性電性比較 ……………………46 3.4 結論…………………………………………………………………47 第四章HfxTiyOzN閘介電層緩衝層(HfN)厚度變化及以 不同PDA溫度退火對金氧半電容電特性之研究 4.1 研究動機……………………………………………………………61 4.2製程與量測 …………………………………………………………63 4.2.1 製程條件…………………………………………………………63 4.2.2 量測參數…………………………………………………………63 4.3 實驗結果與討論……………………………………………………63 4.3.1閘介電層沉積後不同退火溫度(PDA)之比較……………………64 4.3.2閘介電層沉積不同薄膜之比較 …………………………………67 4.3.3物性分析 …………………………………………………………68 4.4 結論…………………………………………………………………69 第五章HfxTayOzN閘介電層緩衝層(HfN)厚度變化及以不同PDA溫度退火對金氧半電容電特性之研究 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……………………………………………………96 5.3.1閘介電層沉積後不同退火溫度(PDA)之比較……………………96 5.3.2閘介電層沉積不同薄膜之比較…………………………………100 5.3.3物性分析…………………………………………………………101 5.4 結論 ………………………………………………………………102 第六章HfxAlyOzN閘介電層不同PDA溫度退火及Al比例變化對金氧半電容電特性之研究 6.1 研究動機 …………………………………………………………122 6.2 製程與量測 ………………………………………………………123 6.2.1 製程條件 ………………………………………………………123 6.2.2 量測參數 ………………………………………………………124 6.3 實驗結果與討論 …………………………………………………124 6.3.1閘介電層沉積後不同退火溫度(PDA)之比較 …………………124 6.3.2閘介電層HfxAlyOzN對不同Al比例的比較 ……………………127 6.3.3物性分析…………………………………………………………128 6.4 結論……………………………………….………………………129 第七章 結論 7.1 結論 ………………………………………………………………143

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