矽覆蓋層及電漿佈植氮化以改善鍺虛擬基板之金氧半電晶體電特性研究

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研究生：	曾瑋豪 Tseng, Wei-Hao
論文名稱：	矽覆蓋層及電漿佈植氮化以改善鍺虛擬基板之金氧半電晶體電特性研究 Enhanced electrical characteristics for pMOSFET with virtual Ge substrate by Si cap layer and nitridation using plasma implantation
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：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	139
中文關鍵詞：	純鍺虛擬基板、PMOSFET
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鍺相對於矽而言，載子遷移率分別對電子提升了兩倍以及對電洞提升了四倍之多，對於元件的驅動電流可獲得大大的改善，因此鍺成為改善通道材料的首選之一。但是由於鍺的熱穩定性不佳，在400℃下會產生易揮發的氣體且容易水解，這種情況會降低元件的電特性，所以勢必要用其他鈍化方式來抑制鍺的擴散並且維持鍺通道元件的電特性。故此，本論文分成以下三部分來探討：第一部分我們探討在純鍺通道上磊晶不同矽覆蓋厚度對元件的電特性以及可靠度方面的影響。實驗結果顯示，在使用3nm矽覆蓋層厚度的元件在電特性有比較好的表現，但是在可靠度上的表現就很差。但是7nm矽覆蓋層厚度的元件雖然電特性表現較差，但是在可靠度的表現就相當好。第二部分我們為了進一步提升元件電特性，針對由堆疊架構的HfAlO/HfO2介電層施加電漿浸潤式離子佈植(PIII)的方式，由閘極上方摻雜N至介電層中，藉此探討不同氮化能量對元件電特性的影響。由實驗結果顯示，經過氮化處理的元件在電特性和可靠度上均得到提升，而且只要能量不要太高，提升效果均會隨著氮化能量增加而更好。第三部分我們為了找出對於氮化處理能夠得到最佳效果的矽覆蓋層厚度，針對最薄與最厚的矽覆蓋層厚度施加效果最好的氮化能量2keV，來比較改善的幅度多寡。由實驗結果顯示，3nm矽覆蓋層厚度的元件在經過氮化處理過後，不管是電特性上還是可靠度上所得到的改善幅度都比7nm矽覆蓋層厚度的元件經過氮化處理過後的還要好。

摘要    I
致謝    II
目錄    IV
表目錄    IX
圖目錄    X
第一章  緒論………………………………………………………………….    1
1.1    前言    1
1.2    使用高介電係數材料的原因    1
1.3    高介電係數材料的選擇    2
1.4    高介電係數材料所面臨的問題    4
1.5    矽鍺虛擬基板與矽鍺通道的應用    4
1.6    應變對載子遷移率的影響    5
1.7    鍺氧化物的特性    6
1.8    界面工程(Interface Engineering)處理    6
1.9 論文架構    7
第二章 元件製程與量測………………………………………………………...15
2.1 HfAlO/HfO2堆疊式介電層應用在純鍺通道pMOSFET元件製作流程    15
   2.1.1晶片刻號    15
   2.1.2定義主動區(Active region)    16
   2.1.3磊晶純鍺虛擬基板與閘極介電層沉積    16
   2.1.4金屬閘極的形成與定義、佈植離子氮化處理    17       2.1.5 源極(Source)、汲極(Drain)、基極(Body)的形成    17
   2.1.6 接觸窗(Contact Hole)形成、接出金屬導線、燒結    18
2.2 電性量測    19
   2.2.1 金氧半電晶體量測    19
第三章  探討不同矽覆蓋層厚度對純鍺通道PMOS電晶體元件的特性研究
    25
3.1 研究動機    25
3.2 製程與量測    28
   3.2.1 製程條件    28
   3.2.2 量測參數    29
3.3 實驗結果與討論    30
   3.3.1使用不同矽覆蓋層厚度的純鍺虛擬基板高介電係數介電層應用在PMOS電晶體之一般電特性    30
        (1) 不同矽覆蓋層厚度對汲極電流的影響    30
        (2) 不同矽覆蓋層厚度對轉導的影響    31
        (3) 不同矽覆蓋層厚度對Subthreshold Swing的影響    31
        (4) 不同矽覆蓋層厚度對GIDL的影響    32
        (5) 不同矽覆蓋層厚度對載子遷移率(mobility)的影響    33
   3.3.2堆疊不同矽覆蓋層厚度應用在純鍺虛擬基板PMOS對元件的可靠度影
響    34
        (a) 熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress)    34
          (1) 熱載子注入對臨界電壓的影響    34
          (2) 熱載子注入對轉導的影響    35
        (b) F-N Stress(Constant Voltage Stress)    35
          (1) F-N Stress對臨界電壓的影響    35
          (2) F-N Stress對轉導的影響    35
3.4 結論        36
第四章 探討不同電漿浸潤式氮離子佈植能量於純鍺虛擬基板PMOS元件特性研究
    61
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    64
4.3 實驗結果與討論    65
   4.3.1施打不同氮化佈植能量於堆疊HfAlO/HfO2閘極氧化層之純鍺虛擬基板PMOS電晶體的一般電特性    65
        (1) 不同氮化佈植能量對汲極電流的影響    65
        (2) 不同氮化佈植能量對轉導的影響    66
        (3) 不同氮化佈植能量對Subthreshold Swing的影響    66
        (4) 不同氮化佈植能量對閘極漏電流的影響    67
        (5) 不同氮化佈植能量對載子遷移率(mobility)的影響    68
   4.3.2使用不同氮化佈植能量應用在純鍺虛擬基板PMOS對元件的可靠度影
響    69
        (a) 熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress)    69
          (1) 熱載子注入對臨界電壓的影響    69
          (2) 熱載子注入對轉導的影響    70
        (b) F-N Stress(Constant Voltage Stress)    70
          (1) F-N Stress對臨界電壓的影響    70
          (2) F-N Stress對轉導的影響    71
4.4 結論        71
第五章 不同矽覆蓋層厚度施加電漿浸潤式氮離子佈植於純鍺虛擬基板  PMOS
元件特性研究……………………………………………………………………97
5.1 研究動機    97
5.2 製程與量測    99
   5.2.1 製程條件    99
   5.2.2 量測參數    100
5.3 實驗結果與討論    100
   5.3.1於不同矽覆蓋層厚度上施加氮離子佈植能量於堆疊HfAlO/HfO2閘極氧化層之純鍺虛擬基板PMOS電晶體的一般電特性比較    100
        (1) 不同矽覆蓋層厚度施加氮離子佈植對汲極電流的影響與比較    .100
        (2) 不同矽覆蓋層厚度施加氮離子佈植對轉導的影響與比較    101
        (3) 不同矽覆蓋層厚度施加氮離子佈植對Subthreshold Swing的影響與比較    102
        (4) 不同矽覆蓋層厚度施加氮離子佈植對載子遷移率(mobility)的影響與比較    103
        (5) 不同矽覆蓋層厚度施加氮離子佈植對閘極漏電流的影響與比較………………………………………………………………………104
   5.3.2於不同矽覆蓋層厚度上施加氮離子佈植能量應用在純鍺虛擬基板PMOS對元件的可靠度影響    104
        (a) 熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress)    105
          (1) 熱載子注入對臨界電壓的影響    105
          (2) 熱載子注入對轉導的影響    105
        (b) F-N Stress(Constant Voltage Stress)    106
          (1) F-N Stress對臨界電壓的影響    106
          (2) F-N Stress對轉導的影響    106
5.4 結論        107
第六章 結論與未來展望    133
6.1 結論        133
6.2未來展望    134
參考文獻        136

                                

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