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。本論文研究重點在金屬閘極和高介電層的界面製程，探討不同的界面處理對金氧半元件電特性之影響。主要分成四部分：在探討界面處理對元件有何影響前，我們想先了解，當介電層的成分比例改變
時，對金屬閘極元件之電特性的影響。此部分實驗我們以ALD 的方式來沉積金屬閘極，並搭配兩種鉿與氧成分比例不同的高介電層：HfO2/Hf 或HfO2。主要分為兩個部分進行討論：一、討論HfO2 鉿氧成分比例改變時，對堆疊式金屬閘極元件之熱穩定性與電特性影響。二、研究TiN 的厚度變化對金屬閘極元件之電性及可靠性的影
響。由實驗結果，我們用ALD 沉積5 奈米TiN 並搭配HfO2/Hf 的金氧半元件，具有較好的電性與可靠性，且功函數有些微提高。
接著探討對元件的界面做CF4 電漿處理後，對元件有何影響。我們CF4 電漿處理的位置在High-K\Metal gate 界面或是Metal gate\Metal gate 界面，將界面曝露在CF4 電漿內30 秒或60 秒，並在後續製程進行不同溫度PMA：550oC、650oC、750oC。
我們發現對元件的High-K\Metal gate 界面作CF4 電漿處理，並在製程中施加較低溫的PMA，可得到功函數較高的元件。CF4 電漿處理能提升金屬閘極元件的功函數，需注意的是，當我們CF4 電漿處理的時間較長或PMA 過高溫時，元件的電性表現及可靠性皆會變差。
接在界面處理的討論之後，是討論提升元件功函數的議題，分成兩小節：(a).從金屬閘極材料選擇上著手，在金屬閘極中摻入高功函數材料Ni。我們將Ni 和TiN 共鍍，形成TiNiN 的合金，由於Ni 在高溫退火厚易往下擴散，故我們在TiNiN和HfON 之間沉積不同厚度的TiN，以TiN 來阻擋Ni 的擴散，使Ni 在不破壞元件特性的前提下，達到提升功函數的目的。由實驗結果，NiTi100 的sample 其電特性及可靠性越好，其中NiTiN100 其功函數約為4.7 eV，NiTiN150 功函數約為4.4 eV。TiN 本身為功函數較低的材料，由於NiTiN150 摻入的Ni 量遠少於TiN，提升元件功函數的效果較有限。(b).針對元件作界面處理，在介電層與金屬閘極界面分別摻入0、3、6 cycl 的氮化鋁，來提升元件功函數。實驗結果發現：在金屬閘極和介電層界面堆疊6 cycle 的AlN 可使元件的漏電流降低，遲滯現象和可靠性皆獲得改善，且元件功函數有提升的現象，功函數提升量與AlN 在High-K/Metal gate 之界面的量成正比，未來可將此項處理結果應用於其他高功函數材料堆疊的元件上。參考前面CF4 電漿處理以及在界面摻入AlN 的實驗經驗，將之使用於電晶體製程上。我們對金屬閘極TaN 與TiN 界面進行30 秒的CF4 電漿處理，並在介電層HfON
與TiN 的界面分別沉積0、10、15 cycle 的AlN。與第五章的狀況不同的是，隨著AlN 含量上升，Vfb 有往左偏移的趨勢。在閘極漏電流的比較上，我們發現到隨著AlN 的量增加，漏電流有下降的趨勢。在IdVd 的部分，介電層與金屬閘極界面處有參雜AlN 的元件，其Id 的值較大。在元件轉導的比較上，我們發現有摻入AlN 的元件其轉導值較高。在載子移動率的比較上，得知AlN 15 cycle 的元件，其載子移動率會受Al 影響而下降，而在介面堆疊AlN 10 cycle 則可以在不降低元件載子移動率的前提下，改善元件的電性及可靠性。

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