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研究生： 連健宏
Lien, Chien-Hung
論文名稱： 不同合金比例及堆疊高介電層之金氧半電晶體之電特性研究
Electrical Characteristics for MOSFET with High-k of Various Alloys and Stacks
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： 2008
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 110
中文關鍵詞： MOSFET 、high-k dielectric 、metal gate 、HfAlO alloy
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    • 為了改善MOSFET的性能，元件的尺寸被要求越來越小，在未來CMOS技術中等效氧化層厚度(EOT)甚至被要求縮小到1.0 nm以下。然而，當二氧化矽縮小到1.5nm以下時穿隧電流變得相當顯著，導致有很大的汲極漏電流產生。High-k介電層可用來減少這個漏電流發生，因為較厚的介電層可以減少電子或電洞穿越閘極介電層的可能，使得穿隧電流可以被減少。
    第一部份我們在High-k dielectric與Si之間利用化學溶液來成長化學氧化層，使High-k dielectric與Si有較佳之界面特性。由實驗結果我們觀察到，使用75℃雙氧水成長化學氧化層之MOSFET元件，有著較好的電特性以及可靠度，顯示使用75℃雙氧水成長化學氧化層之元件有著較佳的界面特性。
    第二部份我們使用ALD機台沈積不同的high-k材料作為介電層，使其形成TaN/high-k dielectric/SiO2/Si的MOSFET元件。由實驗結果得知使用HfO2作為介電層之元件，有著較佳的電特性，其中載子遷移率最大可到110(cm2/V-s)，遠大於使用HfAlO作為介電層之元件。在可靠度方面，使用HfAlO(Hf:Al=1:1)作為介電層之元件經Stress後有著較小的臨界電壓漂移及最大轉導值退化比例，顯示摻雜Al至HfO2有助於提昇元件可靠度。
    第三部份我們利用不同Al比例之HfO2/HfAlO堆疊式結構來作為閘極介電層。由實驗結果發現使用HfO2/HfAlO(Hf:Al=3:1)作為介電層之元件有較大的飽和汲極電流、最大轉導值及載子遷移率。而使用HfO2/HfAlO(Hf:Al=1:1)之元件經Stress後有較佳的可靠度。而使用HfO2/ HfAlO堆疊式結構作為介電層較使用HfAlO作為單層介電層之元件有較好之電特性。

    目錄 摘要……………………………………………………………………..Ⅰ 致謝……………………………………………………………………..Ⅲ 目錄……………………………………………………………………..Ⅳ 圖目錄…………………………………………………………………..Ⅷ 表目錄………………………………………………………………..ⅩⅣ 第一章 序論…………………………………………………...1 1.1前言…………………………………………………………………...1 1.2高介電係數材料的選擇……………………………………………...2 1.3高介電係數材料所面臨的問題……………………………………...3 1.4高介電係數材料議題探討…………………………………………...4 1.4.1表面氧化層(Interface oxide)工程 ………………………….4 1.4.2原子層介電層沈積積研究…………………………………….5 1.4.3載子遷移率衰減…………………………………….................6 1.5論文架構……………………………………………………………...6 第二章 元件製程與量測……………………………...…..…12 2.1化學氧化層搭配ALD所疊high-k介電層之MOSFET元件製成.12 2.1.1 晶片刻號及零層(Alignment Mask)曝光…………………..12 2.1.2定義主動區(Active Region)…………………………………13 2.1.3 閘界電層(Gate Dielectric)的成長即退火處理…………….14 2.1.4 金屬閘電極的形成………………………………………….14 2.1.5 源極(Source)、汲極(Drain)、基極(Base)的形成…………15 2.1.6 形成接觸窗(Contact Hole)、接出金屬導線、燒結……….16 2.2電性量測…………………………………………………………….17 2.2.1 金氧半電晶體的量測…………………………………...…..17 第三章 以不同化學氧化層搭配ALD成長HfAlO閘電極層之MOS電晶體特性研究………………………………23 3.1研究動機…………………………………………………………….23 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……………………………………………………28 3.3.1使用不同的化學溶液形成二氧化矽作為介面層並搭配ALD所疊高介電係數材料HfAlO對NMOSFET元件之初始特性的影響…………………………………………………………………..28 3.3.2使用不同的化學溶液形成二氧化矽作為介面層並搭配ALD所疊高介電係數材料HfAlO對NMOSFET元件之可靠度的影響…………………………………………………………………...31 3.4結論…………………………………………………………………33 第四章 以ALD沉積HfO2摻雜不同濃度Al作為閘極介電層之MOS電晶體特性研究……………………………47 4.1研究動機…………………………………………………………….47 4.2製程與量測………………………………………………………….49 4.2.1 閘極製程………………………………………………….....49 4.2.2 製程條件…………………………………………………….50 4.2.3 量測參數…………………………………………………….50 4.3實驗結果與討論……………………………………………………52 4.3.1使用ALD沈積HfO2摻雜不同比例之Al作為介電層對NMOSFET元件之初始特性的影響的影響……………………...52 4.3.2使用ALD沈積HfO2摻雜不同比例之Al作為介電層對NMOSFET元件之可靠度的影響………………………………...55 4.4 結論………………………………………………………………...58 第五章 以ALD沉積堆疊式高介電係數閘極介電層之MOSFET特性研究…………………………………72 5.1研究動機…………………………………………………………….72 5.2製程與量測………………………………………………………….74 5.2.1 閘極製程………………………………………………….....74 5.2.2 製程條件…………………………………………………….74 5.2.3 量測參數…………………………………………………….75 5.3實驗結果與討論……………………………………………………76 5.3.1使用ALD沈積堆疊式閘極介電層NMOSFETs之特性研究 ……………………...........................................................................76 5.3.2使用ALD沈積HfO2摻雜不同比例之Al作為介電層對NMOSFET元件之可靠度的影響………………………………...79 5.4比較單層介電層與堆疊式介電層元件在電性與可靠度上的影響.82 5.4.1單層介電層與堆疊式介電層在電特性的比較……………...83 5.4.2單層介電層與堆疊式介電層在可靠度的比較……………...84 5.5 結論………………………………………………………………...85 第六章 結論………………………………………………...102 參考文獻…………………………………………………….106

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