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研究生: 曾彥霖
Tseng, Yen-Ling
論文名稱: 具鉬鎢為主高功函數金屬閘極之金氧半元件製程研究
Process Study for MOS Devices with Molybdenum and Tungsten Based High Work Function Metal Gates
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: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 116
中文關鍵詞: 高功函數金屬閘極
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  • 為了改善MOSFET電晶體的性能,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。
    本論文研究的重點放在高功函數金屬閘極的材料選擇上。第一部分為研究兩種以MoN為主搭配TiN薄膜的閘極堆疊結構搭配high-k介電層材料 HfAlO,其中TM_H (TiN/MoN) 閘極在經過高溫退火之後,閘極金屬的擴散並不明顯,故其在可靠性上的表現特別優良。第二部分為探討新的單層金屬閘極WN,並整合在介電層分別為SiO2和ALD沉積的high-k介電層上,單層WN閘極不論在電性上和還是熱穩定性上的表現均較單層MoN來的好,WN_S(WN_SiO2) 閘極在經過高溫退火之後,閘極金屬的擴散並不明顯,故其在可靠性上的表現特別優良。整體來說單層WN閘極有良好的電特性相較於單層MoN金屬閘極元件。而在功函數的熱穩定性上,WN閘極的熱穩定性經過高溫退火後仍保有其高功函數的特性,皆擁有還不錯的功函數熱穩定性,雖然高溫後有有所下降,但皆仍高於5.0 Ev所以適合於pMOS元件的應用。
    第三部分的討論中我們承接第二部分的結論,而且為了想要獲得更佳品質的金屬閘極條件,我們加入了Hf,使之成為合金WxHfN合金式金屬閘極,發現以WHfN合金當作閘電極所形成的元件具有極佳的電特性和熱穩定性,最主要是因為此條件下的金屬離子具有最輕微的擴散深度且擴散的情形較不受PMA溫度影響。最後,在第四部分繼續延續上一部份WHfN合金當作閘電極,本章主要討論WHfN金屬閘極搭配high-k介電層,希望找出最合適的合金式金屬閘極、以及high-k介電層結構,得知WHf50_H(W:50w)合金式金屬閘極搭配 HfO2/HfAlO 堆疊式介電層,可以達到最佳化的高功函數metal gate/high-k dielectric金氧半元件。


    目錄 摘要………… i 誌謝………… ii 圖目錄………. vii 表目錄…………. xii 第一章:序言 1 1.1研究金屬閘電極之動機 1 1.2最近金屬閘電極的研究 2 1.3金屬閘極面臨的挑戰 3 1.4論文架構 5 第二章:元件製程與量測 11 2.1.1晶片刻號和晶背處理 11 2.1.2成長閘極介電層 11 2.1.3沉積堆疊式金屬閘極 TiN/MoN and TiN/MoN/TiN 12 2.1.4沉積單層式及合金式金屬閘極 WN and WxHfN 12 2.2金氧半電容電性量測 13 2.3金氧半電容物性與材料分析 17 2.3.1 X光粉末繞射儀 (X-ray Powder Diffractometer) 17 2.3.2二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer) 18 第三章: 不同PMA溫度對以MoN及TiN為主之堆疊式金屬閘極其介電層為HfAlO金氧半元件特性影響之研究……….. 24 3.1研究動機 24 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 27 3.3.1 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極之擴散物性分析 27 3.3.2 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN 堆疊式金屬閘極之熱穩定性與可靠性分析 28 3.4結論 33 第四章:不同PMA溫度對以WN為金屬閘極及其介電層分別為SiO2和HfO2金氧半元件特性影響之研究 47 4.1研究動機 47 4.2製程與量測 48 4.2.1製程條件 48 4.2.2量測參數 49 4.3實驗結果與討論 50 4.3.1 WN之閘極金屬擴散物性分析 50 4.3.2 WN金屬閘極分別在SiO2和HfO2上之熱穩定性與可靠性分析 51 4.4結論 55 第五章:以WN及Hf為主之合金式金屬閘極金氧半元件特性影響之研究 69 5.1研究動機 69 5.2製程與量測 70 5.2.1製程條件 70 5.2.2量測參數 71 5.3實驗結果與討論 72 5.3.1以WxHfN為金屬閘極施以不同PMA溫度探討其元件物理與電特性及其熱穩定性 72 5.3.2單層WN金屬閘極與WN及Hf為主的合金式金屬閘極之電特性與功函數比較 75 5.4結論 77 第六章:不同的Hf比例對以 WN及Hf為主之合金式金屬閘極其介電層為不同High-K介電層在金氧半元件特性上之研究 89 6.1研究動機 89 6.2製程與量測 90 6.2.1製程條件 90 6.2.2量測參數 91 6.3結果與討論 93 6.3.1合金式金屬閘極WHf60_H與單層WN、TM_H及TMT20_H不同閘極結構在介電層為HfAlO之可靠度與功函數比較 93 6.3.2不同的Hf比例對 WxHfN合金式金屬閘極之電特性比較 95 6.3.3不同的介電層材料與WHf50_H合金式金屬閘極整合之金氧半元件 97 6.4結論 98 第七章 127 結論 127 參考文獻 131

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