不同高介電層堆疊與界面工程對金氧半場效電晶體之電特性影響

Effects of Various high-K Stacks and Interfacial Engineering on Electrical Characteristics of nMOSFET

楊宗穆(Zong-Moon Yang)

指導教授 ： 張廖貴術

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2010年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2010.00636

摘要

為了改善MOSFET的性能，元件的尺寸被要求越來越小，在未來CMOS技術中等效氧化層厚度(EOT)甚至被要求縮小到1.0 nm以下。然而，當二氧化矽縮小到1.5nm以下時穿隧電流變得相當顯著，導致有很大的汲極漏電流產生。High-k介電層可用來減少這個漏電流發生，因為較厚的介電層可以減少電子或電洞穿越閘極介電層的可能，使得穿隧電流可以被減少。
第一部份我們使用ALD機台沈積HfO2與 HfAlO的不同單層或多層堆疊結構，來探討在電特性及可靠度的差異。由實驗結果我們觀察到，使用HfAlO/ HfO2作為閘極介電層之MOSFET元件，相較於HfAlO結構有著較好的電特性以及和HfO2單層結構相比可靠度有明顯提升，顯示使用HfAlO/ HfO2作為閘極介電層雙之元件能有效提升結晶溫度使可靠度變佳又因為能使Al離介面較遠使電特性相較於HfAlO結構能有效提升。
第二部份我們使用電漿浸潤式離子佈植(PIII)技術來進行氮化並探討不同的氮化能量對MOSFET元件在電特性以及可靠度上的影響。由實驗結果得知無做過氮化處理之MOSFET元件，有著較佳的基本電特性，其中載子遷移率最大可到101.5(cm2/V-s)，大於使用任何一片作過氮化處理之MOSFET元件。在可靠度方面，使用氮化能量為2.5KeV之MOSFET元件經Stress後有著較小的臨界電壓漂移及最大轉導值退化比例，顯示適當的氮化能量能有助於MOSFET元件之可靠度提升。
第三部份我們利用ALD通入Hf metal layer在沉積High-K介電層之前，來研究對MOSFET元件在電特性以及可靠度上的影響。由實驗結果可以發現有使用Hf metal layer之元件有較大的飽和汲極電流、最大轉導值及載子遷移率。而且在經過Stress後也有較佳的可靠度。故使用Hf metal layer作為所謂次緩衝層對MOSFET元件是有幫助的。

關鍵字

高介電 ； 氮化 ； 堆疊 ； 金氧半

參考文獻

[1] D. A. Neamen, Semiconductor physics and devices : , p.536, 2003

[3] International Technology Roadmap for Semiconductors, 2003 edition

[9] A. Kumar, D. Rajdev, et al., J. Am. Chem. Soc. 55, 439, 1972.

[10] C. Hobbs, et al., IEEE IEDM. 2001, 30.1.1,

[11] S. Saito, et al., p.7, IEDM, 2003