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研究生:蕭名凱
研究生(外文):Ming-Kai Shiau
論文名稱:不同High-k閘極介電層堆疊結構電性及可靠度之研究
論文名稱(外文):Electrical Properties and Reliability of Various High-k Gate Dielectric Stacks
指導教授:鄭義榮鄭義榮引用關係
指導教授(外文):Yi-Lung Cheng
口試委員:鄭義榮翁武得施君興
口試委員(外文):Yi-Lung ChengWute WengChun-Hsing Shih
口試日期:2011-07-22
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:132
中文關鍵詞:原子層沉積高 k值介電質二氧化鉿三氧化二鋁可靠度依時性介電質崩潰
外文關鍵詞:atomic layer depositionhigh-k dielectricHfO2Al2O3ReliabilityTDDB
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在本論文中,我們比較三種閘極介電氧化層結構(HfO2,HfO2/Al2O3及HfO2/ SiO2) 材料物理特性基本電性特性崩潰特性以及可靠度。藉由固定物理厚度、等效氧化層厚度(EOT)或改變單一層薄膜的厚度變化,來探討不同介面堆疊和HfO2厚度對於金氧半電容結構(MOSC)電性及可靠度的影響。實驗的結果指出,單一層的HfO2結構由於沒有SiO2或Al2O3阻擋層的保護,在750℃退火後有明顯的結晶化現象。另一方面,阻擋層可阻絕HfO2與矽基板間介面氧化層的成長,並且避免在退火後,介面氧化層的鍵結組成變為Hf-Si-O鍵結。
在電性及可靠度方面,不管在固定物理厚度或是相同的EOT,HfO2/SiO2堆疊結構擁有最低的漏電流、較少的氧化層與介面陷阱電荷,以及較低的陷阱電荷增生率,故其可靠度相較於其他閘極結構為佳。而對於HfO2/Al2O3堆疊結構其電性與可靠度雖較HfO2結構為佳,但在較小的EOT時(EOT < 2.69 nm),其改善的效果較為明顯。同時,我們亦可得到:對於HfO2/SiO2堆疊結構,每增加SiO2 及HfO2 1 nm的厚度,可增加崩潰電壓1.1 V及0.36 V,其在操作電壓為-1 V時的崩潰時間,利用對崩潰時間取自然對數的模式下,可推估增加12倍與4.15倍。對於HfO2/Al2O3堆疊結構,當增加HfO2 1 nm厚度時,崩潰電壓增加幅度與HfO2/SiO2堆疊結構相仿,約增加0.33 V,而在操作電壓為-1 V時的預估崩潰壽命可增加3.7倍。而對於單一HfO2結構,當增加HfO2 1 nm厚度時,崩潰電壓只增加0.19 V,且在-1 V時崩潰時間可增加3.37倍,這說明在HfO2閘極氧化層結構中,介面特性以及HfO2薄膜對其閘極氧化層之可靠度皆會有所影響,而介面特性的影響似忽較為重要。

The material physical properties, electrical characteristics, breakdown behavior, and reliability performance of three gate dielectric structures with HfO2, HfO2/Al2O3, and HfO2/SiO2 were investigated in this study. In this paper, the electrical and reliability of n-type metal-oxide-semiconductor capacitor (nMOSC) was analyzed and compared based on the fixed physical thickness, identical equivalent oxide thickness (EOT), and various film thicknesses. Experimental results indicate that single HfO2 structure without SiO2 or Al2O3 barrier protection layer have obvious crystallization phenomenon after annealing at 750℃. On the other hand, the barrier layer can block the interlayer growth between HfO2 layer and Si substrate and avoid the formation of Hf-Si-O bonding after annealing.
For the electrical and reliability performance, Irrespective of the identical physical thickness or EOT, HfO2/SiO2 stacked dielectric behaves the lower leakage and better reliability performance due to a lower generation rate of oxide trappers and interface trappers during stressing as compared with other counterparts. In the HfO2/Al2O3 stacked structure, electrical and reliability performance are better than those in single HfO2 gate structure, but the improvement becomes effective for the smaller EOT value (EOT < 2.69 nm). Furthermore, as the thicknesses of SiO2 and HfO2 is increased by 1 nm for HfO2/SiO2 stacked structure, the breakdown voltage can promote 1.1 V and 0.36 V, respectively. Additionally, the predicted breakdown lifetime at an operating voltage of -1 V can enlarge by 12-fold and 4.15-fold, respectively. As the thicknesses of HfO2 is increased by 1 nm for HfO2/Al2O3 stacked structure, the increase value of breakdown voltage is similar to that in HfO2/SiO2 structure, is 0.33 V. The predicted breakdown lifetime can enlarge by 3.7-fold at an operating voltage of -1 V. For single HfO2 structure, the breakdown voltage only promote 0.19 V with an increase of HfO2 thickness by 1 nm, and the predicted breakdown lifetime will increase by 3.37-fold at -1 V operating voltage.
The experimental result suggests that both interface layer and HfO2 film in HfO2 gate dielectric structure would contribute to the gate oxide reliability, however, the interface layer plays an important role.

第1章 緒論 1
1.1 歷史背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 2
第2章 文獻回顧 3
2.1 CMOS閘極氧化層的極限與挑戰 3
2.2 高介電常數介紹 5
2.2.1 高介電常數材料選擇因素 5
2.2.2 高介電材料HfO2特性 6
2.2.3 高介電材料Al2O3特性 7
2.2.4 High-k薄膜原子層沉積技術 7
2.3 金氧半電容 9
2.3.1 MOSC電容的結構 9
2.3.2 理想MOSC電容的C-V特性 9
2.3.3 實際MOSC電容氧化層缺陷及C-V特性 10
2.4 氧化層載子傳導機制 13
2.4.1 蕭基發射(Scohttky Emission) 13
2.4.2 F-N穿隧(Fowler-Nordhe in Tunnel) 13
2.4.3 直接穿隧(Direct Tunnel) 14
2.4.4 F-P發射(Frenkel-Poole Emission) 15
2.5 氧化層可靠度 16
2.5.1 介電質崩潰 16
2.5.2 TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown) 16
2.6 High-k介電層的文獻回顧 18
第3章 實驗步驟與量測參數 25
3.1 樣品製備流程 25
3.1.1 薄膜沉積 25
3.1.2 MOSC備製 25
3.2 氧化層材料特性分析 29
3.2.1 橢圓測厚儀(Ellipsometer) 29
3.2.2 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM) 29
3.2.3 X光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectrometer,XPS) 30
3.2.4 歐傑電子能譜儀(Auger Electron Spectroscopy,AES) 30
3.2.5 X光繞射儀( X-ray Diffraction,XRD) 31
3.3 電性及可靠度量測 32
3.3.1 I-V及C-V電性量測 32
3.3.2 電應力導致漏電流量測 32
3.3.3 可靠度量測 33
第4章 實驗結果與討論 36
4.1 固定物理厚度對不同堆疊材料的影響 36
4.1.1 材料分析 36
4.1.2 電性分析 38
4.1.3 可靠度分析 43
4.2 固定EOT對不同堆疊結構的影響 46
4.2.1 電性分析 46
4.2.2 可靠度分析 49
4.3 HfO2厚度變化對不同材料阻擋層的影響 51
4.3.1 電性分析 51
4.3.2 可靠度分析 54
4.4 SiO2對於堆疊結構的影響 57
4.4.1 電性分析 57
4.4.2 可靠度分析 59
4.5 固定物理厚度對二層堆疊及三層堆疊的影響 61
4.5.1 電性分析 61
4.5.2 可靠度分析 63
第5章 結論與未來展望 126
5.1 結論 126
5.2 未來展望 128
參考文獻 129

[1]G. D. Wilk, R. M. Wallace, and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 89, (2011) 5243.
[2]M. Houssa and M. Naili, J. Appl. Phys. 89, (2001) 792.
[3]Y. Taur, IEEE Proc. 85, (1997) 486.
[4]K. Trorii, Y. Shimamoto, S. Saito, et al. Symp. VLSI. Tech. (2002) 188.
[5]A. Kerber, E. Cartier, L. Pantisano, et al. IEEE Electorn. 24, (2003) 87.
[6]C. Hu, Nanotechnology. 10, (1999) 113.
[7]The International Technology Roadmap for Semiconductors. Semiconductor Industry Association. (2003).
[8]G. D. Wilk, R. M. Wallace, and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 87, (2000) 484.
[9]E. P. Gusev, IEDM Tech. (2001) 451.
[10]T. Ngai, W. J. Qi, R. Sharma, J. Fretwell, X. Chen, J. C. Lee, and S. Banerjee, J. Appl. Phys. 76, (2000) 502.
[11]Y. Harada, M. Niwa, S. J. Lee, and D. L, Kwong, Symp. VLSI. Tech. 3, (2002) 3.
[12]S. Gopalan, K. Onishi, R. Nieh, C. S. Kang, R. Choi, H. J. Cho, S. Krishna, and J. C. Lee, J. Appl. Phys. 80, (2002) 4416.
[13]B. Cheng, M. C. Cao, and R. Rao, IEEE Trans Electron Devices. 46, (1999) 1537.
[14]M. H. Cho, D. H. Ko, Y. G. Choi, and J. Vac, Sci. Technol. 19, (2001) 192.
[15]J. H. Lee, Y. J, and K. Zawadzki, J. Appl. Phys. 24, (1999) 3143.
[16]V. Mikhelashvili and G. Eisenstein, J. Appl. Phys. 89, (2001) 2356.
[17]M. H. Cho, Y. S. Roh, and C. N. Whang, J. Appl. Phys. 81, (2002) 472.
[18]J. Robertson and J. Vac, Sci. Technol. 18, (2000) 1785.
[19]D. Han, J. Kang, C. Lin, and R. Han, Microelectron Eng. 66, (2003) 643.
[20]Y. H. Kim and J. C. Lee, Microelectron Reliab. 44, (2004)183.
[21]B. H. Lee, L. Kang, and R.Nieh, J. Appl. Phys. 76, (2000) 1926.
[22]W. Tsai, R. J. Carter, and H. Nohira, Microelectron Eng. 65, (2003) 259.
[23]G. D. Wilk, J. Appl. Phys. 89, (2011) 5243.
[24]N. Yasuda, H. Hisatatsu, and H. Ota, J. Appl. Phys. 44, (2005) 7750.
[25]J. Buckley, B. DeSalvo, and D. Deleruyelle, Microelectron Eng. 80, (2005)210.
[26]D. G. Park, H. J. Cho, C. Lim, I. S. Yeo, J. S. Roh. C. T. Kim, and J. M. Hwang, Symp. VLSI. Tech. 54, (2000).
[27]E. P. Gusev, M. Copel, E. Cartier, I. J. R. Baumvol, C. Krug, and M. A. Gribelyuk, J. Appl. Phys. 76, (2000) 176.
[28]J. H. Lee, K. Koh, N. I. Lee, M. H. Cho, Y. K. Kim, J. S. Jeon, K. H. Cho, H. S. Shim, M. H. Kim, K. Fujihara, H. K. Kang, and J. T. Moon, IEDM. Tech. 645, (2000).
[29]S. M. SZE and J. Wiley, ”SEMICONDUCTOR DEVICES physics and Technology” , (2002).
[30]劉漢文, “固態電子元件”.
[31]D. A. Neamen, “Semiconductor physics and devices: basic principles”, (1992).
[32]C. K. Maiti, S. Maikap, S. Chatterjee, and S. K. Nandi, Solid State Electronics. 47, (2003) 1995.
[33]K. J. Lim, M. N. Kim, and H. I. Chae, IEEE Transactions on Electrical Insulator. 27, (1992) 3.
[34]Z. Weinberg, J. Appl. Phys. 53, (1982) 5052.
[35]A. Schenk and G. Heiser, J. Appl. Phys. 81, (1997) 7900.
[36]W. J. Zhu, T. P. Ma, and T. Tamagawa, IEEE Electron Device. 23, (2002) 97.
[37]傅寬裕, ”半導體IC產品可靠度統計物理與工程”.
[38]M. Leskela and M. Ritala, Angew. Chem. Int. 42, (2003) 5548.
[39]D. Vogler and P. Doe, Solid State Technol. 46, (2003) 35.
[40]M. Ritala, Applied. Surf. Sci. 112, (1997) 223.
[41]A. N. Saxena and K. L. Mittal, J. Appl. Phys. 46, (1975) 2788.
[42]M. Balog, M. Schieber, and M. Michman, Thin Solid Films. 41, (1977) 247.
[43]O. Kang, B. H. Lee, and W. J. Qi, IEEE Electron Device. 21, (2000) 181.
[44]Y. S. Lin and R. Puthenkovilakam, J. Appl. Phys. 81, (2002) 2041.
[45]K. Kukli, J. Aarik, and M. Ritala, J. Appl. Phys. 96, (2004) 5298.
[46]N.Yasuda, H. Hisatatsu, and W. Mizubayashi, J. Appl. Phys. 44, (2005) 7750.
[47]Y. H. Kim and C. J. Lee, Microelectronics Reliability. 44, (2004) 183.
[48]I. Kim and J. Koo, J. Appl. Phys. 45, (2006) 919.
[49]K. Iwamoto and W. Mizubayashi, Solid State Electronics. 50, (2006) 999.
[50]X. H. Chenh, D. W. He, and Z. R. Song, Rare Metal Materials and Engineering. 38, (2009) 189.
[51]G. D. Wilk, J. Appl. Phys. 86, (2005) 252.
[52]Y. Won, J. Appl. Phys. 88, (2006) 122.
[53]S. Monaghan, P. K. Hurley, and K. Cherkaoui, Solid State Electronics. 53, (2009) 438.
[54]J. C. Lee, J. Appl. Phys. 84, (2004) 1305.
[55]W. J. Zhu, T. P. Ma, S. Zafar, and T. Tamagawa, IEEE Electr. Dev. 23, (2002) 597.
[56]P. Samanta, C. X. Zhu, and M. S. Chan, Microelectron Eng. 84, (2007) 1964.
[57]P. Samanta, C. X. Zhu, and M. S. Chan, Microelectronics Reliability. 50, (2010) 1907.
[58]Z. Xu, M. Houssa, and R. Carter, J. Appl. Phys. 44, (2002) 183.
[59]M. A. Alam and S. Mahapatra, Microelectron Reliability. 45, (2005) 71.
[60]M. Houssa, V. V. Afanasev, and A. Stesmans, J. Appl. Phys. 90, (2007).
[61]J. Pankove, D. E. Carlson, and J. E. Berkeyheiser, Phys. Rev. 51, (1983) 2224.
[62]P. Samanta and M. S. Chan, Microelectronics Reliability. 50, (2010) 1907.
[63]E. Y. Wu and R. P. Vollersten, IEEE Trans. Electron. Dev. 49, (2002) 2131.
[64]O. Weber, M. Casse, and L. Thevenod, Solid State Electron. 50, (2006) 626.
[65]S. Chatterjee, Y. Kuo, and J. Lu, Microelectronics Reliability. 46, (2006) 69.
[66]P. Samanta, C. Zhu, and M. Chan, Microelectronic Engineering. 84, (2007) 1964.

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1. 雷頤,現代中國的一面鏡子—評金雁卞悟的「農村公社、改革與革命」,「二十一世紀」網路版,香港中文大學,2003年6月,總第15期。http://www.cuhk.edu.hk/ics/21c/supplem/essay/9901018.htm。
2. 方維規,論近代思想史上的「民族」、「Nation」與「中國」,二十一世紀網路版,2002年6月號,總第三期,http://www.cuhk.edu.hk/ics/21c/supplem/essay/0107022.htm。
3. 蕭全政,論中共的「和平崛起」,政治科學論叢,第22期,2004年12月,頁17。
4. 劉性仁,中國大陸愛國主義與民族主義之概念性研究,復興崗學報,第93期,2009年,頁137。
5. 張雅君,列寧的民族政策—理論與實踐的差距,東亞季刊,國立政治大學,台北,2002年,頁52~53。
6. 黃綉媛,近代中國民族主義救亡運動的四重奏:保國、保種、保教與國粹保存運動的齊鳴(1842~1912),白沙人文社會學報,創刊號,2002年10月,頁319~320。
7. 陳美芬,以蘇聯政治海報為文本解讀史達林個人崇拜的藝術體現,政治大學俄羅斯研究所,俄羅斯學報,創刊號,2002年1月,頁150。
8. 陳政宏,鄭和迷思與正名,海洋文化學刊,第二期,頁25~66。
9. 孫紹正,中共和平崛起論之研析,展望與探索,第2卷第9期,2004年,頁46-57。
10. 吳榮鎮,「當代大陸教育改革議程之文化價值分析」,中國大陸研究,第四十一卷,第二期,1998年6月頁61-73。
11. 李英明,鄧小平、劉少奇與毛澤東:中國大陸社會主義的本質,東亞季刊,第二十七卷第三期,1995年,頁1~13。
12. 朱蓓蕾,全球化與中共安全觀:轉變與挑戰,中國大陸研究,第46卷,第6期,2003年11月,頁75-108。
 
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