簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 呂學岳
Hsueh-Yueh Lu
論文名稱: 氮化鉬與氮化鈦堆疊之高功函數堆疊式金屬閘極金氧半元件電性研究
Electrical Characteristics of MOS Devices with Stacked MoN and TiN High Work Function Metal Gates
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 174
中文關鍵詞: 金屬閘極氮化鉬
相關次數: 點閱:2下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 為了持續元件微縮並提高元件效能,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。本研究提出兩種以MoN為主,搭配TiN薄膜的堆疊式金屬閘極,分別為TM_0與TMT_100閘極,從實驗結果發現,其功函數均較單層MoN閘極高,並在多項電特性表現上較MoN單層閘極優良。對TM_0與TMT_100閘極施以不同的退火溫度,深入探討閘極的熱穩定性與元件可靠性,根據實驗結果發現,TM_0經過PMA 950oC後,在可靠性方面的表現最佳。兩種gate stack的功函數熱穩定性均較單層MoN好。
    本研究中第三種gate stack為TMT_20,調變閘極底層TiN為2nm的結果,大幅提升了三層式閘極在高溫的可靠度與元件熱穩定性。
    本研究將三種以MoN及TiN為主,不同結構的金屬閘極與high-k介電層HfAlO整合應用。發現TM_0閘極在多項電特性上的表現均最優,且其在HfAlO上的可靠性較其在SiO2上更優。最後,本研究將TM_0搭配以ALD沉積不同濃度的HfAlO介電層做整合。發現最佳化的HfAlO介電層濃度為Hf13.24Al18.11O68.65,其有效功函數為5.00eV。比較TM_0閘極在以MOCVD與ALD沉積之HfAlO介電層上的特性,發現ALD formed Hf13.24Al18.11O68.65介電層展現了與TM_0閘極最佳化的元件電特性,以及優秀的high-k & metal gate整合效果。


    摘要 I 誌謝 II 目錄 IV 圖目錄 IX 表目錄 XX 第一章 緒論 1 1.1 為什麼要使用金屬閘極? 1 1.2 最近的金屬閘極研究 2 1.2.1雙閘極技術(Dual gate technology) 2 1.2.2功函數工程(Work Function Engineering) 3 1.3金屬閘極面臨的挑戰 5 1.3.1 Fermi-level pinning 5 1.3.2金屬閘極的熱和化學穩定性 6 1.3.3金屬閘極其他的挑戰 7 1.4為什麼要使用鉬(Molybdenum, Mo)作為閘極材料? 7 1.5論文架構 8 第二章 元件製程與量測 16 2.1 TiN/MoN和TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極金氧半電容元件之製作流程 16 2.1.1晶片刻號和晶背處理 17 2.1.2熱成長閘極介電層SiO2 17 2.1.3沉積堆疊式金屬閘極TiN/MoN and TiN/MoN/TiN 18 2.5金氧半電容電性量測 19 2.6金氧半電容物性與材料分析 25 2.6.1 X光粉末繞射儀(X-ray Powder Diffractometer) 25 2.6.2二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS) 26 第三章 以MoN和TiN為主之堆疊式金屬閘極其不同堆疊結構對金氧半元件特性影響之研究 32 3.1研究動機 32 3.2製程與量測 34 3.2.1製程條件 34 3.2.2量測參數 35 3.3實驗結果與討論 36 3.3.1 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極之物理與電特性 36 3.3.2 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極之功函數研究 40 3.4結論 42 第四章 不同PMA溫度對TiN/MoN和TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極金氧半元件特性影響之研究 54 4.1研究動機 54 4.2製程與量測 55 4.2.1製程條件 55 4.2.2量測參數 56 4.3實驗結果與討論 58 4.3.1 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極之閘極金屬擴散物性分析 58 4.3.2 TiN/MoN及TiN/MoN/TiN堆疊式金屬閘極之熱穩定性與可靠性分析 60 4.4結論 66 第五章 以MoN和TiN為主之堆疊式金屬閘極其底層TiN厚度對金氧半元件特性影響之研究 80 5.1研究動機 80 5.2製程與量測 81 5.2.1製程條件 81 5.2.2量測參數 82 5.3實驗結果與討論 84 5.3.1 TM_0、TMT_20及TMT_100堆疊式金屬閘極之物理特性 84 5.3.2 對TM_0、TMT_20及TMT_100堆疊式金屬閘極施以不同PMA溫度探討其元件電性與熱穩定性 86 5.4結論 92 第六章 以MoN及TiN為主之堆疊式金屬閘極其介電層為HfAlO在金氧半元件特性上之研究 104 6.1研究動機 104 6.2製程與量測 105 6.2.1製程條件 105 6.2.2量測參數 106 6.3結果與討論 108 6.3.1單層金屬閘極MoN與堆疊式金屬閘極TM_0、TMT_100其介電層為HfAlO之物理與電特性 108 6.3.2 MoN、TM_0及TMT_100不同閘極結構在介電層為HfAlO與SiO2時之電特性比較 112 6.4結論 116 第七章 TiM/MoN堆疊式金屬閘極其介電層為ALD與MOCVD沉積之HfAlO在金氧半元件特性上之研究 132 7.1研究動機 132 7.2製程與量測 134 7.2.1製程條件 134 7.2.2量測參數 135 7.3結果與討論 137 7.3.1 TiN/MoN堆疊式金屬閘極整合以ALD沉積之不同濃度高介電係數介電層HfAlO之金氧半元件物理與電特性 137 7.3.2 TiN/MoN堆疊式金屬閘極整合ALD與MOCVD沉積之高介電係數介電層HfAlO之金氧半元件特性研究 142 7.4結論 148 第八章 結論 165 參考文獻 169

    [1] M. S. Krishinan, et al., IEDM, p. 571, 1998
    [2] You-Seok Suh et al., “Electrical Characteristics of TaSixNy Gate Electrodes For Dual Gate Si-CMOS Devices,” Symposium on VLSl Technology Digest of Technical Papers, p.47, 2001
    [3] Stefan De Gendt, IEDM Short Course, IMEC., 2004
    [4] Q. Lu, et al., IEEE Symp. On VLSI Technology Tech. Dig., p.49, 2001
    [5] Y. C. Yeo, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.22, p.227, 2001
    [6] Seiichiro Kawamura, IEEE Custom Integrated Circuits Conference, pp.467-474, 2002
    [7] B. Travel et al., IEDM, p.825, 2001
    [8] Q. Xing et al., VLSI, p.101, 2003
    [9] H. Zhong, et al., IEDM Tech. Dig., p.467, 2001
    [10] I. Polishchuk, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.22, p.444, 2001
    [11] C. Hobbs, et al., IEEE Symp. On VLSI Technology Tech. Dig., 2-1. 2003
    [12] C. Wang, et al., Appl. Phys. Lett., vol.83 (2), p.308, 2003
    [13] C. Hobbs, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.51(6), pp.971, 2004
    [14] C. Hobbs, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.51(6), pp.978, 2004
    [15] Mark Rodder, IEDM Short Course, Texas Instrument, 2004
    [16] H. Ono, et al., Appl. Phys. Lett., vol.73, no.11, p.1517, 1998
    [17] R. Beyers, J. of Appl. Phys., vol.56, p.1, 1984
    [18] V. Misra, et al., MRS bulletin, vol.27, no.3, p.212, 2002
    [19] C. Wang, et al., Appl. Phys. Lett., vol.83 (2), pp.308, 2003
    [20] W. Zhu, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.51 (1), pp.98, 2004
    [21] M. V. Fischetti, et al., J. Appl. Phys., vol.90 (9), p.4587, 2001
    [22] Robert Chau, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.25 (6), p.408, 2004
    [23]張新君,“金氧半元件金屬閘極和高介電係數電層之製程整合研究”,國立清華大學工程與系統科學系,2006
    [24] Tsu-Jae King et al., Novel Materials and Processes for MOS Devices final report: MICRO Project 98-071, 1998-99
    [25] P. Ranade et al., Electrochem. & Sol-State Lett., 5, p. G85, 2001.
    [26] Bing-Yue Tsui et al., Journal of The Electrochemical Society, 153 3 G197-G202, 2006
    [27] J. R. Hauser and K. Ahmed, "Characterization of ultrathin oxides using electrical C-V and I–V measurement," Characterization Metrology ULSI Technology, pp. 235–230, 1998
    [28] S. Zafar et al., Apply Phys. Letter, vol. 80, pp. 4858-4860, 2002.
    [29] Huang-Chun Wen et al., IEEE Electron Device Lett., vol.27, no.7 pp.598-601, July 2006
    [30] Po-Yen. Chien, “Integration of electrical characteristics for MOS devices with Molybdenum metal gate”, thesis in the Department of Engineering and System Science NTHU, 2007
    [31] D. K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 1998
    [32] Y. Nishi, et al., Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, Chap.28, Marcel Dekker, New York, 2000
    [33] N. V. Nguyen, et al., Appl. Phys. Lett., 77, 3012, 2000
    [34] P. T. Gao, et al., Thin Solid Films, 377, 557, 2000
    [35] K. Kukli, et al., Thin Solid Films, 260, 135, 1995
    [36] M. Cassir, et al., Appl. Surf. Sci., 193, 120, 2002
    [37] C. M. Perkins, et al., Appl. Phys. Lett., 78, 2357, 2001
    [38] C. Chaneliere, et al., Microelectron. Reliab., 39, 261, 1999
    [39] D. D. L. Chung, et al., X-Ray Diffraction at Elevated Temperatures: A Method for In-Situ Process Analysis, Chap.1, VCH Publishers, New York, 1993
    [40] Powder Diffraction File: Inorganic and Organic Data Book, PDF#19-1299, 25-0922, 25-1257, 25-1366, 27-1402, 34-1084, 42-0060, 42-1120, and 72-1088, JCPDS – International Center for Diffraction Data, American Society for Testing and Materials, Swarthmore, PA, 1950-2003
    [41] K. Onishi, et al., Symp. VLSI Tech., p.131, 2001
    [42] Stanley Wolf, Silicon Processing for the VLSI ERA, vol.2, Lattice Press, California, 1990
    [43] Tohru Hara, Taira Kitamura, Masaru Tanaka, Takuya Kobayashi, Keizo Sakiyama, Shigeo Onishi, Kazuya Ishihara, Jun Kudo, Vukihiro Kino, and Noboru Yamashita , "Barrier Effect of TaSiN Layer for Oxygen Diffusion," J. Electrochem. Soc., Vol. 143, no. 11, pp. L264-L266, 1996
    [44] Yasushi Akasaka et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 4B, pp. 2933–2938, 2006
    [45] X.Sun et al., Thin Solid Film, vol.236, p. no1/2, Dec. 1993
    [46] Heiji Watanabe, et al., APL 85, p.449, 2004
    [47] H. B. Michaelson, J. Appl. Phys., vol.48, p.4729, 1977
    [48] Tzung-Lin Li et al., IEEE Transactions on Electron Devices, VOL. 53, NO. 6, pp.1420-1426, June 2006
    [49] R. Nieh, et al., IWGI, p.70, 2001
    [50] C. H. Lee, et al., IEDM Tech. Dig., p.27, 2000
    [51] B. H. Lee, et al., IEDM Tech. Dig., p39, 2000
    [52] R. Choi, et al., Symp. VLSI Tech., p.15, 2001
    [53] V. Mikhelashvili, et al., IEEE Electron Device Lett., 27, p.344, 2006.
    [54] Paul E. Nicollian, et al., in IRPS, pp.400-404, 1999
    [55]莊惠淇,“利用閘堆疊式介電層及界面工程加強金氧半元件電性之研究”,國立清華大學工程與系統科學系,2007
    [56] H. Y. Yu, et al., IEEE Electron Device Lett., vol.25, pp.337-339, 2004
    [57] Jaehyun Kim and Kijung Yung, ECS, 152 (10) F153-155, 2005
    [58] Ping-Hung Tsai et al., IEEE Electron Device Lett., VOL. 29, NO. 3, pp.265-268, March 2008
    [59] S. H. Bae et al., IEEE Electron Device Lett., VOL. 24, NO. 9, September 2003
    [60] H. Z. Massoud, “Charge transfer dipole moments at the Si-Si02 interface,” J. Appl. Phys., vol63 (no. 6), pp.2000-5, March 1988
    [61] R. C. Keller and C. R. Helms, J. Yuc. Sci. Tech. A, vol 10 (no. 4), pp.775-80, July/Aug 1992
    [62] Rashmi Jha et al., APL, 87 223503, 2005
    [63] Jiang Lu, et al., J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 24, No. 1, pp.349-357, Jan/Feb 2006

    無法下載圖示 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)

    QR CODE