臺灣博碩士論文加值系統

本論文中，我們分別以兩種high-k 材料作為基礎，進一步改變其材料結構，再經不同的熱處理後，來探討其對閘極介電層元件的特性與可靠度差異。此實驗研究可以分為三大部分：
第一部分討論以HfOxNy為閘極介電層的電容元件的特性影響，探討濺鍍Hf靶材時，通不同的N2流量，以及不同溫度的RTA處理，對元件電特性的影響。研究結果可知，通入較高的N2流量和較高溫的RTA之電容元件，皆有助於抑制閘極漏電流、使得崩潰電場耐壓變大，和提升長時間的可靠度。
第二部分討論高介電材料HfNxOy，沉積在不同晶格方向的矽基板表面上，其對元件的特性影響。我們可知，晶格方向(111)的EOT略小於(100)，卻使其漏電流與崩潰電場的特性變差；在可靠度方面，晶格方向(111)比(100)較能有優越的表現。
第三部分討論以CoTiO3和Al2O3堆疊之閘極介電層的電容元件的特性，探討CoTiO3與Al2O3不同的組成比，施以不同溫度PDA處理，以及比較O2與N2當退火氣體對元件電特性的影響。從研究發現，CoTiO3/Al2O3組成比較高的元件，且施以較高溫的PDA熱處理，以及通入O2當退火氣體，俱能降低介電層的漏電流、提升崩潰電場強度和改善可靠度性能。

目錄
摘要………………………………………………………………………I
誌謝………………………………………………………………………II
目錄……………………………………………………………………III
圖目錄……………………………………………………………………VI
表目錄……………………………………………………………………X
第一章 序論…………………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………………1
1.2 研究動機.…………………………………………………………2
1.3高介電係數材料的選擇…………………………………………………2
1.3.1 HfO2材料介紹………………………………………………………4
1.3.2 HfOxNy材料介紹……………………………………………………6
1.3.3 CoTiO3材料介紹………………………………………………………7
1.4 高介電材料之特性比較…………………………………………………8
1.4.1 Si3N4的特性……………………………………………………………8
1.4.2 TiO2和Ta2O5的特性…………………………………………………9
1.4.3熱穩定性的高介電材料………………………………………9
1.4.4 Hf-silicate 的特性…………………………………………………10
1.5 論文概要………………………………………………………………10
第二章 元件製程與量測…………………………………….17
2.1 HfOxNy-C(I)元件製程……………………………………………17
2.1.1 晶片刻號及零層（Alignment Mark）曝光…………………18
2.1.2 定義主動區（Active Region）………………………………18
2.1.3 閘介電層（Gate Dielectric）的沈積及退火處理……………19
2.1.4 金屬導線的退火處裡及背鍍金屬…………………………20
2.2 HfOxNy-C(II)元件製程…………………………………………………21
2.2.1 晶片刻號及零層（Alignment Mark）曝光………………………21
2.2.2 定義主動區（Active Region）……………………………………21
2.2.3 閘介電層（Gate Dielectric）的沈積及退火處理……………22
2.2.4 金屬導線的退火處裡及背鍍金屬…………………………………23
2.3 CoTiO3/Al3O2-C元件製程………………………………………23
2.3.1 晶片刻號及零層（Alignment Mark）曝光…………………24
2.3.2 定義主動區（Active Region）……………………………………24
2.3.3 閘介電層（Gate Dielectric）的沈積及退火處理……………25
2.3.4 接出金屬導線及背鍍金屬…………………………………27
2.4金氧半電容的電性量測…………………………………………28
2.4.1 電容-電壓量測……………………………………………………28
2.4.2 電流-電壓量測……………………………………………………29
2.5 物性與材料分析…………………………………………………………29
2.5.1 X光繞射儀……………………………………………………………29
2.5.2 原子力顯微鏡……………………………………………………30
第三章 高介電常數HfNxOy閘介電層應用於金氧半電容的特性研究…………………………………………………………41
3.1 研究動機………..…………………………………………………41
3.1.1對HfO2界面作不同氮化處理………………………………42
3.1.2 HfOxNy的特性……………………………………………………43
3.1.3 TaN金屬的特性……………………………………………………43
3.2 研究方法……………………………………………………………45
3.3 製程與量測…………………………………………………………45
3.3.1製程條件……………………………………………………………45
3.3.2量測樣品……………………………………………………………45
3.4 實驗結果與討論…………………………………………………46
3.4.1 不同RTA氮氧化生成溫度比較……………………………………46
3.4.2 通不同N2氣體流量之比較………………………………………51
3.5 結論……………………………………………………………………55
第四章 高介電常數HfOxNy閘介電層在不同晶格方向矽基板之金氧半電容的特性研究……………………………………………………………75
4.1 研究動機……………………………………………………………75
4.2 製程與量測……………………………………………………………76
4.2.1製程條件………………………………………………………………76
4.2.2量測樣品………………………………………………………………77
4.3 實驗結果與討論……………………………………………………77
4.3.1 物性分析的比較……………………………………………………77
4.3.2 初始電特性的比較……………………………………………………78
4.3.3 可靠性分析的比較……………………………………………………79
4.4 結論………………………………………………………………………81
第五章 高介電常數CoTiO3和Ａl2O3堆疊之閘介電層應用於金氧半電容的特性研究……………………………………………………………………92
5.1 研究動機……………………………………………………………92
5.1.1緩衝層……………………………………………………………93
5.1.2 Al對高介電材料的影響………………………………………………94
5.1.3 O2退火處理……………………………………………………………95
5.1.4 Al2O3與CoTiO3的化學結構…………………………………………95
5.2 研究方法…………………………………………………………………95
5.3 製程與量測……………………………………………………………96
5.3.1製程條件……………………………………………………………96
5.3.2量測樣品……………………………………………………………96
5.4實驗結果與討論…………………………………………………………97
5.4.1 不同PDA溫度之影響………………………………………………97
5.4.2 不同組成比之影響………………………………………………102
5.4.3 不同PDA氣體之影響………………………………………………104
5.4.4 物性分析……………………………………………………………107
5.5 結論……………………………………………………………107
第六章 結論與未來工作建議………………………………………142
6.1結論……………………………………………………………142
6.1.1 HfNxOy元件…………………………………………………………142
6.1.2 CoTiO3/ Al2O3元件…………………………………………………143
6.2未來工作建議……………………………………………………………143
參考文獻………………………………………………………………145

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