高介電係數材料氧化鉿與氧化鏑在金氧半電容器之物性和電性分析

The Physical and Electrical Properties of Metal (Al)-Oxide-Si Capacitors with Dy2O3 and ALD-based HfO2 Gate Oxide

陳佳賓(Chia-Pin Chen)

指導教授 ： 黃惠良 教授

國立清華大學/電機資訊學院/積體電路設計產業研發碩士專班/碩士(2007年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2007.00308

摘要

本篇論文，在金氧半電容器上以氧化鏑 (Dy2O3) 和氧化鉿 (HfO2) 當作閘極絕緣層是被製作與研究的。分別使用射頻磁控式濺鍍與原子層化學沉積技術。在傳導機制上是以溫度為依據而被研究的。
在X光繞射儀分析上，展現出氧化鏑 (Dy2O3)和氧化鉿 (HfO2)薄膜在氮氣圍繞下快速退火400度維持一分鐘後變成多晶體。在二次離子質譜儀分析上，在Dy2O3/p-Si結構下看出在氮氣圍繞下快速高溫退火400度維持一分鐘後鏑原子就擴散到矽晶圓和在氮氣圍繞下快速高溫退火700度維持一分鐘後矽原子就擴散到氧化鏑薄膜上。在ALD HfO2/p-Si結構下看出在氮氣圍繞下快速高溫退火400度維持一分鐘後鉿原子就擴散到矽晶圓。在電子顯微鏡分析上，展現出在氮氣圍繞下快速高溫退火400度維持一分鐘後有找到在高介電係數薄膜 (Dy2O3 or HfO2)與矽晶圓之間有產生界面層。
在討論傳導機制方面，在Al/Dy2O3/p-Si結構上,發現在高溫(500K)高電場(2.9~4.8 MV/cm)下有蕭基發射機制產生。在Al/ALD HfO2/p-Si結構上,發現在高溫(>420K)高電場(1.56~2.25 MV/cm)下有蕭基發射機制產生而且在高溫(>420K)低電場(0.36~0.81 MV/cm)有普爾-法蘭克發射機制產生。在鋁與氧化鉿的能障高度為0.82 eV，電子有效質量為0.03m0。針對氧化鏑 (Dy2O3) 薄膜在不同溫度 (250C, 850C and 1250C) 施加定電流應力，萃取出的韋伯斜率大約為7。而氧化鏑 (Dy2O3) 薄膜在QBD63的活化能為23meV。

關鍵字

高介電係數材料

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Dy2O3 ； HfO2 ； High-k ； MOS capacitors ； charge-to-breakdown QBD

參考文獻

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