鎢合金應用於高功函數金屬閘極金氧半電晶體之電特性研究

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研究生：	黃俊瑜 Huang, Jun-Yu
論文名稱：	鎢合金應用於高功函數金屬閘極金氧半電晶體之電特性研究 Electrical Characteristics of MOSFET with High Work Function Metal Gates by Tungsten Based Alloys
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：	99
語文別：	中文
論文頁數：	139
中文關鍵詞：	高功函數金屬閘極、鎢合金、氮化鎢、金氧半電晶體
外文關鍵詞：	Metal Gate, High-k, pMOSFET, WN, W, WHfxN
相關次數：	點閱：1 下載：0
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為了改善MOSFET的性能，元件的尺寸被要求越來越小，許多新穎的研究成果已被發表出來，其中，高功函數金屬閘極的研究相當引人注目。本論文研究主要以鎢合金為高功函數金屬閘極的應用。
第一部份主要以W與較低濃度N所反應成長的WN，使得WN擁有適用於pMOSFETs的功函數，並以其它種類金屬TaN及TiN作為電性及可靠度的比較的依據，並以ALD沉積HfO2作為介電層，發現WN雖然擁有高功函數閘極的優點，但是初始電特性並不如預期。我們為了提高WN的電特性，我們加入了Hf，使之成為合金式WHfxN金屬閘極，發現電特性有明顯的提升，以及經過Stress的元件也較穩定，代表界面品質也相對提升，最主要是因為Hf減緩金屬原子W在高溫下的擴散，又擁有適合於pMOSFETs的功函數。
第二部為了探討Hf在WN摻的的比例之元件特性，實驗中將使用不同Hf的瓦數，分別為40W和50W，並搭配以ALD沉積HfAlxO為介電層，希望藉此證明Hf的摻雜有助於提升元件的電特性及可靠度並找出適合應用於pMOFETs的結構。其結果發現WHfxN(50)有較好的基本電特性，而可靠度方面皆有不錯的表現。另外在高溫下，Hf可能會在界面與N產生Hf-N形成較低功函數的物質，導致功函數有些微下降，不過基本上皆適合運用於pMOSFETs。
第三部份我們為了得到較佳的元件結構，並使用ALD沉積不同的high-k材料作為介電層，分別為HfO2和HfAlxO(Hf:Al=2:1)，並應用於高功函數金屬閘極。由實驗結果得知使用HfO2作為介電層之元件，有較佳的電特性，其中載子遷移率最大可到98(cm2/V-s)，遠大於使用HfAlxO作為介電層之元件。但在可靠度方面，使用HfAlxO(Hf:Al=2:1)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。

目錄

摘要............................................................................................................................................i
致謝.........................................................................................................................................iii 目錄..........................................................................................................................................iv 表目錄.....................................................................................................................................vii
圖目錄....................................................................................................................................viii
第一章 序論 ..................................................................................................... 1
1.1 前言...........................................................................................................................1
1.2 研究金屬閘電極之動機...........................................................................................1
1.3 最近金屬閘電極的研究...........................................................................................2
1.4 金屬閘極面臨的挑戰...............................................................................................4
1.5 論文架構...................................................................................................................5
第二章 元件製程與量測 ............................................................................... 12
2.1高功函數金屬閘極應用在Gate First之pMOSFETs元件製作流程……….......12
2.1.1 晶片刻號和晶背毆姆式接觸.......................................................................12
2.1.2閘極介電層(Gate Dielectric)的成長............................................................12
2.1.3沉積單層式金屬閘極 TaN、TiN................................................................13
2.1.4沉積單層式及合金式金屬閘極WN、WHfxN...........................................13
2.1.5源極(Source)、汲極(Drain)、基極(Base)的形成.......................................14
2.1.6接出金屬導線、燒結...................................................................................14
2.2電性量測..................................................................................................................15
2.2.1金氧半電晶體的量測...................................................................................15
2.2.2萃取金屬閘極之功函數 (Work Function).................................................16
第三章 以WN及WHfxN的合金式金屬閘極之電晶體電性研究...............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高功函數金屬閘極搭配氧化鉿應用PMOS電晶體元件的功函數比較...28
3.3.2高功函數金屬閘極搭配氧化鉿應用在PMOS電晶體一般電特性.........28
(1)    高功函數金屬閘極搭配氧化鉿對汲極電流的影響...........................28
(2)    功函數金屬閘極搭氧化鉿對轉導和臨界電壓的影響.......................29
(3)    高功函數金屬閘極搭配氧化鉿對Subthreshold Swing的影響........31
(4)    高功函數金屬閘極搭配氧化鉿對閘極漏電流的影響.......................32
(5)    高功函數金屬閘極搭配氧化鉿對載子遷移率(mobility)的影響......32
3.3.2高功函數金屬閘極搭配氧化鉿應用在PMOS電晶體元件的可靠度
影響................................................................................................................33
(a)    熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress)..............................................33
(b)    F-N Stress(Constant Voltage Stress).......................................................35
3.4結論...........................................................................................................................36
第四章不同Hf比例的WHfxN和WN合金式金屬閘極之電晶體電性研
究..........................................................................................................63
4.1 研究動機..................................................................................................................63
4.2 製程與量測..............................................................................................................64
4.2.1製程條件........................................................................................................64
4.2.2量測參數........................................................................................................65
4.3 實驗結果與討論......................................................................................................66
4.3.1不同Hf比例的WHfxN對PMOS電晶體之功函數比較.........................66
4.3.2不同Hf比例的WHfxN對PMOS電晶體之初始特性的影響.................67
(1)    不同Hf比例的WHfxN對汲極電流的影響......................................67
(2)    不同Hf比例的WHfxN對轉導和臨界電壓的影響..........................68
(3)    不同Hf比例的WHfxN對Subthreshold Swing的影響....................69
(4)    不同Hf比例的WHfxN對閘極漏電流的影響...................................69
(5)    不同Hf比例的WHfxN對載子遷移率(mobility)的影響..................70
4.3.3不同Hf比例的WHfxN對PMOS電晶體元件的可靠度響.....................71
(a)    熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress)..............................................71
(b)    F-N Stress(Constant Voltage Stress).......................................................72
4.4 結論..........................................................................................................................73
第五章以HfO2及HfAlxO作為閘極介電層應用於WN及WHfxN(40)
之MOS電晶體特性研究……........................................................ 98
5.1 研究動機..................................................................................................................98
5.2 製程與量測............................................................................................................100
5.2.1製程條件......................................................................................................100
5.2.2量測參數......................................................................................................100
5.3 實驗結果與討論....................................................................................................101
5.3.1使用HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極應用於PMOS電晶體之功
函數比較.......................................................................................................101
5.3.2使用HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極應用於PMOS電晶體之初
始特性的影響的影響...................................................................................101
(1)    以HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對汲極電流的影響…101

(2)    以HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對轉導和臨界電壓的影響...........................................................................................................102
(3)    以HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對Subthreshold Swing的影響.......................................................................................................103
(4)    以HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對閘極漏電流影響.....103
(5)    以HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對載子遷移率(mobility)
的影響...................................................................................................104
5.3.3使用HfO2及HfAlxO搭配高功函數金屬閘極對PMOS電晶體元件的可
靠度影響.....................................................................................................104
(a)    熱載子注入(Channel Hot Carrier Stress).............................................105
(b)    F-N Stress(Constant Voltage Stress).....................................................106
5.4 結論........................................................................................................................107
第六章結論 .................................................................................................... 134

 參考文獻 .................................................................................................................. 137
表目錄

表 3-1不同金屬閘極PMOS元件實驗列表.............................................................................37
表 4-1為WN及WHfxN之PMOS元件實驗列表..................................................................74
表5-1不同金屬氧化物介電常數以及能隙表.......................................................................108
表5-2使用HfO2和HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之電晶體實驗條件列表..............108
圖目錄

圖1-1型金氧半場效電晶體(MOSFET)之剖面結構圖.......................................................................7
圖1-2 Remote charge scattering(RCS)示意圖..................................................................................................7
圖1-3為NMOS和PMOS元件使用midgap和dual metal gates時臨界電壓的能帶..............8
圖1-4顯示在矽能隙附近的金屬功函數...................................................................................8
圖1-5多晶矽閘極其介電層為HfO2時會有Fermi pinning效應..............................................8
圖1-6多晶矽閘極其介電層為HfO2時發生Fermi pinning的位置..........................................8
圖1-7 metal gate+high-k dielectrics可改善Fermi pinning......................................................10
圖1-8 high-k介電層搭配金屬閘極或是多晶矽閘極時在不同CET下電子遷移率的比....10
圖1-9將poly-Si/SiO2 結構換成 metal gate/high-k 時，在nMOS或pMOS上需選擇適
當的金屬閘極..................................................................................................................11
圖2-1MOSFET元件製程截面流程圖 (1)...............................................................................19
圖2-1MOSFET元件製程截面流程圖 (2) ..............................................................................19
圖2-2量測Cgc與Cgb的接法.....................................................................................................20
圖2-3在汲極施加大電場產生通道熱載子示意圖.................................................................20
圖2-4在汲極施加大電場產生通道熱載子示意圖.................................................................21
圖2.5平帶條件下Metal / SiO2 / Si電容結構之能帶圖..........................................................21
圖2.6從EOT-Vfb的圖中萃取閘極功函數...............................................................................22
圖3-1 MOSFET元件製程截面流程圖.....................................................................................38
圖3-2 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極之電晶體的功函數比較圖....................................39
圖3-3 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN、WHfxN(40) (b) TaN、TiN電晶體的
C-V比較圖.......................................................................................................................40
圖3-4 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN電晶體的
Id-Vd關係圖.....................................................................................................................41
圖3-5不同金屬閘極的PMOS電晶體元件其汲極電流分別在(a)線性區(b)飽和區的比較
圖....................................................................................................................................43
圖3-6 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN電晶體的
汲極電流和轉導對閘極電壓關係圖............................................................................44
圖3-7使用不同金屬閘極之pMOSFETs最大轉導比較關係圖................................................46
圖3-8 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN電晶體的
汲極電流對閘極Subthreshold電壓關係圖...................................................................47
圖3-9 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極之電晶體 (a) S.S (b)汲極電流對閘極電壓比較
圖......................................................................................................................................49
圖3-10 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN電晶體的
閘極電壓對閘極電流比較圖........................................................................................50
圖3-11不同金屬閘極的PMOS電晶體(a)閘極漏電流比較圖(b) EOT與閘極漏電流
比較圖..........................................................................................................................52
圖3-12 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN
電晶體的載子遷移率關係圖......................................................................................53
圖3-13不同金屬閘極應用在PMOS電晶體的最大載子遷移率比較圖...............................54
圖3-14 HfO2 20Å PMOS具有不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN
之電晶體經Hot-carrier Stress後的轉導最大值衰減比例圖......................................55
圖3-15 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN
之電晶體經Hot-carrier Stress後的臨界電壓飄移圖..................................................57
圖3-16 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN
之電晶體經F-N Stress後的轉導最大值衰減比例圖.................................................59
圖3-17 HfO2 20Å PMOS具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) TaN (d) TiN
之電晶體經F-N Stress後的臨界電壓飄移圖.............................................................61
圖4-1 MOSFET元件製程截面流程圖.....................................................................................75
圖4-2 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極之PMOS電晶體的功函數比較圖...............................76
圖4-3 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極之PMOS電晶體的C-V比較圖....................................76
圖4-4 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50) 之PMOS電晶
體的Id-Vd關係圖...........................................................................................................77
圖4-5不同金屬閘極的PMOS電晶體元件其汲極電流分別在(a)線性區(b)飽和區的比較
圖....................................................................................................................................79
圖4-6 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50) 之PMOS電晶
體的汲極電流和轉導對閘極電壓關係圖.....................................................................80
圖4-7使用不同金屬閘極之pMOSFETs最大轉導比較關係圖................................................81
圖4-8 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶體的汲極電流對閘極Subthreshold電壓關係圖.........................................................................82
圖4-9 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極之PMOS電晶體的(a) S.S (b)汲極電流對閘極電壓比
較圖..................................................................................................................................84
圖4-10 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶
體的閘極電壓對閘極電流比較圖................................................................................85
圖4-11不同金屬閘極的PMOS電晶體(a)閘極漏電流 (b) EOT與閘極漏電流比較圖......87
圖4-12 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50) 之PMOS電晶
體的載子遷移率關係圖................................................................................................88
圖4-13不同金屬閘極應用在PMOS電晶體的最大載子遷移率比較圖...............................89
圖4-14 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶
體經Hot-carrier Stress後的轉導最大值衰減比例圖..................................................90
圖4-15 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶
體經Hot-carrier Stress後的臨界電壓飄移圖..............................................................92
圖4-16 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶
體經F-N Stress後的轉導最大值衰減比例圖.............................................................94
圖4-17 HfAlxO 20Å具不同金屬閘極(a) WN (b) WHfxN(40) (c) WHfxN(50)之PMOS電晶
體經F-N Stress後的臨界電壓飄移圖........................................................................96
圖5-1 MOSFET元件製程截面流程圖...................................................................................110
圖5-2使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的功函數比較
圖..................................................................................................................................110
圖5-3使用HfO2和HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的C-V比較........111
圖5-4使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c) WHfxN(40)/HfO2 (d) WHfxN(40)/HfAlxO
之PMOS電晶體的Id-Vd關係圖………………………………………………......112
圖5-5使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體元件其汲極電流分
別在(a)線性區(b)飽和區的比較圖.............................................................................114
圖5-6使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c) WHfxN(40)/HfO2 (d) WHfxN(40)/HfAlxO
之PMOS電晶體的汲極電流和轉導對閘極電壓關係圖.........................................115
圖5-7使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的最大轉導比較關
係圖................................................................................................................................117
圖5-8使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c) WHfxN(40)/HfO2 (d) WHfxN(40)/HfAlxO
之PMOS電晶體的汲極電流對閘極Subthreshold電壓關係圖...............................118
圖5-9使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的(a) S.S (b)汲極
電流對閘極電壓比較圖..............................................................................................120
圖5-10使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c) WHfxN(40)/HfO2(d) WHfxN(40)/HfAlxO之
PMOS電晶體的閘極電壓對閘極電流比較圖........................................................121
圖5-11使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的(a)閘極漏電流
(b) EOT與閘極漏電流比較圖..................................................................................123
圖5-12使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c)WHfxN(40)/HfO2(d)WHfxN(40)/HfAlxO之
PMOS電晶體的載子遷移率關係圖........................................................................124
圖5-13使用HfO2及HfAlxO應用於高功函數金屬閘極之PMOS電晶體的最大載子遷移
率比較圖....................................................................................................................125
圖5-14使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c)WHfxN(40)/HfO2(d)WHfxN(40)/HfAlxO
之PMOS電晶體經Hot-carrier Stress後的轉導最大值衰減比例圖......................126
圖5-15使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c)WHfxN(40)/HfO2(d)WHfxN(40)/HfAlxO之
PMOS電晶體經Hot-carrier Stress後的臨界電壓飄移圖......................................128
圖5-16使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c)WHfxN(40)/HfO2(d)WHfxN(40)/HfAlxO之
PMOS電晶體經F-N Stress後的轉導最大值衰減比例圖......................................130
圖5-17使用(a) WN/HfO2 (b) WN/HfAlxO (c)WHfxN(40)/HfO2(d)WHfxN(40)/HfAlxO
之PMOS電晶體經F-N Stress後的臨界電壓飄移圖.............................................132

                                

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[46] Chung-Hao Fu, et al., Solid-State Electronics, p.1160,2010

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