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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李柏勳
研究生(外文):Bo-Shiun Lee
論文名稱:低溫微波退火對高介電係數介電層之影響及抑制TiN/TaN金屬閘極功函數偏移電性之研究
論文名稱(外文):Suppression of TiN/TaN Metal Gate Work Function Shift and Influence on the High-k Gate Dielectric by Low Temperature Microwave Annealing
指導教授:賴瓊惠李耀仁
指導教授(外文):Chiung-Hui LaiYao-Jen Lee
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:金屬閘極氧化鈦氧化鉭微波退火功函數
外文關鍵詞:metal gateTiNTaNmicrowave annealwork function
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半導體元件為了滿足時代的進展,互補式金氧半(CMOS)中的等效氧化厚度不斷的被要求微縮,而當二氧化矽(SiO2)微縮到1.5 nm以下時,穿隧漏電流會變的相當明顯,導致元件的功率消耗過大。此時高介電係數介電層被提出用以替換二氧化矽減少漏電流的發生,而其中以二氧化鉿(HfO2)為很有潛力的高介電係數介電層。國際半導體技術藍圖(ITRS)也認為以金屬閘極取代多晶矽閘極可以有效的防止多晶矽閘極的高片電阻值與空乏效應。
本論文研究的第一部分為探討TiN/HfO2/Si sub. 的MOS元件分別經過微波退火(MWA)與快速熱退火(RTA)之後的功函數變化。實驗結果發現微波退火可以抑制功函數的移動,但是退火之後會使得元件電容值下降。
第二部份我們分別探討TaN/SiO2/Si sub. 和TiN/SiO2/Si sub. MOS元件分別經過MWA與RTA退火的研究。TaN/SiO2/Si sub.經過MWA之後的功函數只有些微的移動,RTA退火之後TaN會與下方SiO2產生反應而形成一高介電係數TaxOy,使得電容值上升,而使用MWA則沒有這樣的問題。
第三部份TiN/SiO2/Si sub. MOS在RTA與MWA之後探討功函數的移動,實驗結果發現使用MWA可以有效的抑制功函數的移動,在擁有良好的熱穩定性同時還能活化摻雜,最後我們會用材料分析XRD的方式來做進一步的解釋。
In order to meet the progress of the times, the shrinkage of equivalent oxide thickness (EOT) of semiconductor device is requested in CMOS. However, when SiO2 scale down to 1.5 nm below, the tunneling current becomes quite significant, resulting in the large gate leakage current and the penalty of power consumption. In this moment, High-k dielectric is proposed to replace SiO2 for reducing the gate leakage current, especially in HfO2. According to ITRS, metal gate can improve high sheet resistance and depletion effect.
The first part of the report investigated the work function shift of TiN/HfO2/Si structures with microwave anneal (MWA) and rapid temperature anneal (RTA) post-treatment, respectively. The results of experiment show MWA can suppress work function shift but the EOT was increased after annealing.
The second part, TaN/SiO2/Si and TiN/SiO2/Si device were studied for different parameters of RTA and MWA, respectively. Reaction between TaN and SiO2 after RTA treatment can be obtained, forming interfacial of TaxOy and increasing the capacitance. On the other hand, MWA was without this phenomenon.
The third part, TiN/SiO2/Si device, MWA process for the dopant activation and thermal stability of the TiN gate electrode were investigated. The work function shift of TiN gate electrode could be suppressed due to the low temperature process. In addition, phosphorus, arsenic, and boron could be also well-activated and diffusionless after MWA process. Moreover, XRD analysis shows that work function shift.
目錄
摘要………………………………………………………………………………………….i
Abstract................................................................................................................................ii
致謝……………………………………………………………………………………...…iii
目錄………………………………………………………………………………………...iv
表目錄………………………………………………………….…………………............viii
圖目錄………………………………………………………………………………….…..ix
第一章 序言
1.1 背景與研究動機……………………………………………...………………………1
1.2 高介電係數閘極介電層……………………………………………………………...3
1.2.1 高介電係數介電層之選擇…………………………………………………....3
1.2.2 目前常見的高介電係數閘極介電層…………………………………………4
1.3金屬閘極之研究……………………………………………………………………....4
1.3.1研究金屬閘極之動機……………………………………………………….....4
1.3.2可替代的金屬閘極…………………………………………………………….5
1.3.3最近金屬閘電極的研究…………………………………………………….....6
1.4 高介電係數介電層與金屬閘極所面臨的挑戰……………………………………...8
1.5 研究低溫微波退火之動機…………………………………………………………...8
1.6 論文架構……………………………………………………………………………...9
第二章 理論基礎
2.1 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)的結構……………………………………..16
2.2 MOS 結構中氧化層缺陷型態……………………………………………................ 17
v
2.2.1 MOS 結構中氧化層缺陷型態介紹…………………………………………17
2.2.2 氧化層捕捉電荷( Oxide Trapped Charge,Qot )…………………………...17
2.2.3 固定氧化層電荷( Fixed Oxide Charge,Qf ) ………………………………18
2.2.4 介面缺陷電荷( Interface Trapped Charge,Qit ) ………………………….18
2.2.5 移動性離子電荷( Mobile Ionic Charge,Qm ) ……………………………..19
2.3 原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)…………………………………..19
2.4 微波退火技術………………………………………………………………………...20
第三章 元件製程與量測…………………………………………………………………27
3.1 實驗流程……………………………………………………………………………...27
3.2 金屬閘極 ( TiN ) 介電層 ( HfO2 ) 金氧半電容元件製作流程…………………..27
3.2.1 晶片刻號和犧牲氧化層(sacrifice oxide)…………………………………...27
3.2.2 化學方式成長化學氧化層 (Chemical oxide)……………………………...28
3.2.3 ALD 沉積高介電係數介電層 ( HfO2 )…………………………………….28
3.2.4 ALD 沉積金屬閘極 ( TiN ) ………………………………………………...28
3.2.5 PVD 沉積金屬閘極 < TiN >……………………………………………......28
3.2.6 微影製程及蝕刻……………………………………………………………..29
3.2.7 快速熱退火( RTA )和微波退火( MWA )處理……………………………...29
3.3 金屬閘極 ( TaN ) 金氧半電容元件製作流程……………………………………...29
3.3.1 晶片刻號和犧牲氧化層(sacrifice oxide) …………………………………..29
3.3.2 熱成長閘極介電層 < SiO2 >……………………………………………….30
3.3.3 PVD 沉積金屬閘極 < TaN >……………………………………………..30
3.3.3 PVD 沉積金屬閘極 < TiN >……………………………………………...30
3.3.4 微影製程及蝕刻…………………………………………………….……….30
3.3.5 快速熱退火( RTA )和微波退火( MWA )處理………………………...........31
v i
3.4 金屬閘極 ( TiN ) 金氧半電容元件製作流程………………………………..31
3.4.1 晶片刻號和犧牲氧化層(sacrifice oxide)…………………………………...31
3.4.2 熱成長閘極介電層 < SiO2 >……………………………………………….31
3.4.3 PVD 沉積金屬閘極 < TiN >……………………………………………...32
3.4.4 微影製程及蝕刻……………………………………………………………..32
3.4.5 快速熱退火( RTA )和微波退火( MWA )處理……………………………...32
3.5 金氧半電容之電性量測……………………………………………………………...32
3.5.1 電容-電壓 (C-V)特性量測………………………………………………….33
3.5.2 電流-電壓 (I-V) 特性量測…………………………………………………33
3.5.3 遲滯 (Hysteresis) 特性量測………………………………………………..35
3.5.4 萃取金屬閘極之功函數 (Work Function)………………………………...36
3.6 金氧半電容物性與材料分析………………………………………………….36
3.6.1 X光粉末繞射儀 (X-ray Powder Diffractometer)…….…………………36
第四章 結果與討論……………………………………………. ………………………..48
4.1 TiN金屬閘極搭配 HfO2 高介電係數介電層之金氧半元件特性研究……………48
4.1.1 TiN / HfO2 / Si Sub. 的電容量測…………………………………...………48
4.1.2不同PDA溫度對TiN / HfO2 / Si Sub.的電性研究…………………………49
4.1.3 使用PVD和ALD方式沉積金屬閘極TiN的差異…………………………49
4.1.4 TiN / HfO2 /Si Sub. 經過微波退火與RTA退火之後的電性改變以及
對於HfO2厚度的影響………………………………………………………..49
4.2 TaN金屬閘極搭配 SiO2 介電層之金氧半元件特性研究…………………………51
4.2.1 TiN/ TaN / SiO2 / Sub. 微波退火後的電性變化…………………...………51
4.2.2 TiN/ TaN / SiO2 / Sub. RTA退火後的電性變化……………………………51
4.2.3 微波退火和RTA 的均勻性比較……………………………………………52
vi i
4.3 TiN金屬閘極搭配 SiO2 介電層之金氧半元件特性研究………………………….53
4.3.1 TiN / SiO2 / Sub. RTA後的電性變化……………………………………….53
4.3.2 TiN / SiO2 / Sub. 在不同條件微波退火的電性變化……………………….53
4.3.3 RTA與微波退火對掺雜活化的能力………………………………………..54
4.3.4 TiN / SiO2 / Sub. 在不同條件微波退火與RTA的物理特性變化…………54
第五章 結論與未來展望……………………………………............................................76
參考文獻……………………………………………. ……………………………………78


表目錄
表2.1 ALD 獨特的特徵、內部真正的意義及獨特的優點……………………………...21
表3.1 TiN(PVD)/TiN(ALD)/HfO2/Si Sub.的RTA與MWA之Split Table…………….37
表3.2 TiN/TaN/SiO2/Si Sub.的RTA與MWA之Split Table…………………………...37
表3.3 TiN/SiO2/Si Sub.的RTA與MWA之Split Table…………………………………38
表4.1 TiN/TaN/SiO2/Si Sub.考慮量子效應模擬程式所萃取出來的參數……………...55
表4.2 TiN/SiO2/Si Sub.考慮量子效應模擬程式所萃取出來的參數…………...………56
ix



圖目錄
圖1.1 半導體材料之能帶寬度與能帶大小……………………………….…………….10
圖1.2 極薄二氧化矽之直接穿隧漏電流機制…………………………….…………….10
圖1.3 不同氧化層厚度下閘極電壓對上閘極漏電流的關係圖………………………...11
圖1.4 ITRS 2005(EDITION) technology nodes 的Jg 與EOT 的預測…………….11
圖1.5 閘極氧化層隨著 technology node 的微縮趨勢………………………...………12
圖1.6 nMOS 和 pMOS 元件使用 midgap 和 dual-metal gates 時臨界電壓
的能帶圖…………………………………………. ……………………..………12
圖1.7 金屬閘極之功函數………………………………………………………………..13
圖1.8 圖中標示出多晶矽閘極和金屬氧化物裡面可能存在電荷的位置…………….13
圖1.9 多晶矽閘極其介電層為HfO2時會有Fermi pinning效應……………………...14
圖1.10多晶矽閘極其介電層為HfO2時發生Fermi pinning的位置…………………...14
圖1.11 使用金屬閘電極搭配high-k介電層時,Fermi pinning之影響可被改
善……………………………………………. …………………………………..15
圖2.1 基本的MOS 電容結構…………………………………………………...………22
圖2.2 PMOS 不同操作偏壓的狀態…………………………………………………...23
圖2.3 氧化層電荷在氧化層內分佈位置………………………………………………..24
圖2.4 高頻C-V 曲線(遲滯現象)………………………………………………………..24
圖2.5 Theoretical ideal D it=0 和D it ≠0 (a)高頻和(b)低頻C-V曲線……………..25
圖2.6 利用ALCVD 法在深寬比35:1的0.17 μm微孔洞沉積HfO2 之截面
圖……………………………………………. ……………………………………26
圖3.1 成長犧牲氧化層35 nm…………………………………………………………...39
圖3.2 移除犧牲氧化層,並成長化學氧化層0.7 nm……………………………………39
圖3.3 使用ALD分別沉積二氧化鉿及氮化鈦金屬閘極,再利用PVD 沉積氮化
鈦…………………………………………. ………………………………………39
x
圖3.4 定義pattern……………………………………………………………………….40
圖3.5 蝕刻、剝除光阻……………………………………………………………………41
圖3.6 元件經過 RTA 及 MWA 退火………………………………………………….41
圖3.7 成長犧牲氧化層35 nm…………………………………………………………...42
圖3.8 移除犧牲氧化層,並成長二氧化矽5 nm………………………………………...42
圖3.9 使用PVD 沉積氮化鉭金屬閘極及氮化鈦………………………………………42
圖3.10 定義pattern……………………………………………………………………...43
圖3.11 蝕刻、剝除光阻…………………………………………………………………...43
圖3.12 元件經過 RTA 及 MWA 退火……………………………………….………..44
圖3.13 成長犧牲氧化層35 nm………………………………………………………….44
圖3.14 移除犧牲氧化層,並成長二氧化矽5 nm……………………………………….45
圖3.15 使用PVD 沉積氮化鈦金屬閘極………………………………………………..45
圖3.16 定義pattern……………………………………………………………………...46
圖3.17 蝕刻、剝除光阻…………………………………………………………………..46
圖3.18 元件經過 RTA 及 MWA 退火……………………………………….………..47
圖4.1 TiN/HfO2/Si Sub.搭配不同條件的Chemical Oxide與RTA中通O2形成
Oxide的C-V比較圖…………………………………………………………….57
圖4.2 TiN/HfO2/Si Sub.搭配不同條件的Chemical Oxide與用RTA中通O2成
長Oxide的I-V比較圖…………………………………………………………..57
圖4.3 TiN/HfO2/Si Sub經過不同條件PDA的C-V圖………………………………..58
圖4.4 TiN/HfO2/Si Sub經過不同條件PDA的I-V圖………………………………...58
圖4.5 分別使用ALD與PVD方式沉積金屬閘極TiN的C-V圖…………….………...59
圖4.6 分別使用ALD與PVD方式沉積金屬閘極TiN的I-V圖…………….…………59
圖4.7 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與微波退火的C-V比較圖…………………………60
圖4.8 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與微波退火的I-V比較圖…………………………...60
x i
圖4.9 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與RTA退火的C-V比較圖…………….…...……….61
圖4.10 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與RTA退火的I-V比較圖…………………………61
圖4.11 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與退火之後的C-V比較圖…………….…………...62
圖4.12 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與退火之後的I-V比較圖…………….…................62
圖4.13 TiN/HfO2/Si Sub未退火的遲滯曲線…………….……………………………63
圖4.14 TiN/HfO2/Si Sub微波2100W 300秒的遲滯曲線……………….....................63
圖4.15 TiN/HfO2/Si Sub微波2400W 100秒的遲滯曲線……………….....................64
圖4.16 TiN/HfO2/Si Sub RTA 800℃ 60秒的遲滯曲線……………….......................64
圖4.17 TiN/HfO2/Si Sub RTA 1000℃ 10秒的遲滯曲線……………….....................65
圖4.18 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與微波退火的C-V圖………………………...66
圖4.19 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與RTA退火的C-V圖………………………..66
圖4.20 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與退火的I-V圖…………………….................67
圖4.21 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與退火的C-V圖……………………………...67
圖4.22 微波2400W 100秒的均勻性……………………………………………………68
圖4.23 微波2400W 100秒的均勻性……………………………………………………68
圖4.24 RTA 800℃60秒的均勻性……………………………………………………...69
圖4.25 RTA 950℃ 30秒的均勻性……………………... …………………....……….69
圖4.26 TiN/ SiO2/Si Sub. 未退火與RTA退火的C-V圖……………………………..70
圖4.27 TiN/ SiO2/Si Sub. 未退火與微波2100W退火的C-V圖……………………..71
圖4.28 TiN/ SiO2/Si Sub. 未退火與微波2400W退火的C-V圖……………………..71
圖4.29 TiN/ SiO2/Si Sub.微波2100W與RTA退火的C-V圖………………………...72
圖4.30 TiN/ SiO2/Si Sub.微波2400W與RTA退火的C-V圖………………………...72
圖4.31 TiN/ SiO2/Si Sub.未退火與退火之後的功函數變化………………………….73
圖4.32 31P、As和B分別掺雜在矽晶板上退火之後的Rs值………………………….73
圖4.33 TiN/ SiO2/Si Sub.未退火與微波2100W、RTA退火的XRD圖………………74
xi i
圖4.34 TiN/ SiO2/Si Sub.未退火與微波2400W、RTA退火的XRD圖…….………...74
圖4.35 TiN利用四點探針量測出來的Rs……………………………………………..75
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