HfOxNy閘介電層內氮含量分佈與矽基板退火對金氧半電容元件電特性之影響

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研究生：	黃清鴻 Ching-Hung Huang
論文名稱：	HfOxNy閘介電層內氮含量分佈與矽基板退火對金氧半電容元件電特性之影響 Effects of Nitrogen Concentration Profile in Gate Dielectric and Substrate Annealing on Electrical Properties of MOS Capacitor Device with HfOxNy Gate Dielectric
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：	2004
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	126
中文關鍵詞：	高介電常數、退火、電容等效厚度、遲滯、可靠度
外文關鍵詞：	High-k, Anneal, CET, Hysteresis, Reliability
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為了解決在元件閘極氧化層厚度快速所小的趨勢下，隨之產生的閘極漏電流過高之問，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。本論文選擇HfOxNy作為高介電常數閘極介電層，使用TaN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三大部分：
第一部分以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度以及PMA(Post Meatl Annealing)溫度來探討對HfOxNy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850℃時，元件可以有較佳的可靠度以及較小的閘極漏電流，而當PMA的溫度為850℃時，則元件的可靠度如在SILC、TDDB特性上可以顯著提升。
第二部分我們探討的是在HfOxNy閘介電層內，不同的氮含量分佈，對於元件特性的影響。可以得知，當介電層內氮含量越高時，會有較低的CET，較高的崩潰電壓以及較佳的TDDB可靠度，但是卻有較大的漏電流以及較嚴重的SILC現象。
第三部分則是在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。我們發現，利用高溫爐管以氫氣或者氮氣進行熱退火去疵處理後的基板，對於元件的電特性，如CET、漏電流以及在可靠度上，都有較佳的表現。而若以較高濃度的HF來清洗基板，也可以得到較低的CET、低漏電流、高崩潰電壓等特性。

目錄

摘要-----------------------------------------------------------------------Ⅰ
誌謝-----------------------------------------------------------------------Ⅲ
目錄-----------------------------------------------------------------------Ⅳ
圖目錄-------------------------------------------------------------------Ⅷ
表目錄--------------------------------------------------------------------XI
第一章 序論---------------------------------------------------1
1研究動機-------------------------------------------------------------------1
2高介電常數材料的選擇-------------------------------------------------2
3 HfOxNy--------------------------------------------------------------------3
4論文概要-------------------------------------------------------------------4
第二章 元件製程與量測------------------------------------6
1 HfOxNy MOS Capacitor (Ⅰ)元件製程--------------------------------6
2 HfOxNy MOS Capacitor (Ⅱ)元件製程------------------------------10
3 HfOxNy MOS Capacitor (Ⅲ)元件製程------------------------------13
4金氧半電容特性量測---------------------------------------------------16
4.1電容-電壓量測 -----------------------------------------------------17
4.2電流-電壓量測--- ---------------------------------------------------17
5物性與材料分析---------------------------------------------------------17
5.1 X光繞射儀----------------------------------------------------------17
5.2二次離子質譜儀----------------------------------------------------18
5.3傅立葉轉換紅外線光譜儀----------------------------------------20
第三章 HfOxNy閘介電層及閘電極沉積後以不同  溫度退火對金氧半電容電特性影響之研究---------------------------------------------------------29
1研究動機------------------------------------------------------------------29
2製程與量測---------------------------------------------------------------30
2.1製程條件------------------------------------------------------------30
2.2量測參數------------------------------------------------------------31
3實驗結果與討論---------------------------------------------------------33
3.1 物性分析-----------------------------------------------------------33
3.2閘介電層沉積後不同退火溫度(PDA)之比較----------------33
3.3金屬閘電極沉積後不同退火溫度(PMA)之比較-------------36
4 結論-----------------------------------------------------------------------38
第四章 氮含量分佈對HfOxNy閘介電層金氧半電容電特性影響之研究------------------------------------53
1研究動機------------------------------------------------------------------53
2製程與量測---------------------------------------------------------------54
2.1製程條件------------------------------------------------------------54
2.2量測參數------------------------------------------------------------55
3實驗結果與討論---------------------------------------------------------55
3.1閘介電層與矽界面不同氮濃度之比較------------------------55
3.2閘介電層內不同氮分佈之比較---------------------------------58
4結論------------------------------------------------------------------------61
第五章 基板在閘介電層沉積前經不同製程處理後對金氧半電容之特性研究---------------------------76
1研究動機------------------------------------------------------------------76
2製程與量測---------------------------------------------------------------77
2.1製程條件-----------------------------------------------------------77
2.2量測參數-----------------------------------------------------------79
3實驗結果與討論---------------------------------------------------------79
3.1氮氣快速熱退火之影響------------------------------------------79
3.2氮氣高溫爐管退火加上氮氣快速熱退火之影響------------82
3.3Hi-wafer應用在金氧半電容上之影響-------------------------84
3.3.1 SiOxNy閘介電層金氧半電容-----------------------------85
3.3.2 HfOxNy閘介電層金氧半電容----------------------------87
3.4 閘介電層沉積前基板以不同濃度氫氟酸清洗之影響----89
4結論------------------------------------------------------------------------91
第六章 結論------------------------------------------------124
1 結論----------------------------------------------------------------------124
參考文獻----------------------------------------------------126

                                

參考文獻

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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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