以Y2O3為矽閘極介電層之金氧半特性研究

Characteristic Study of MIS Capacitors Using Sputtered Y2O3 as Gate Dielectrics

陳毅驊(Yi-Hua Chen)

指導教授 ： 高慧玲

中原大學/工學院/電子工程研究所/碩士(2003年)

https://doi.org/10.6840/cycu200300099

摘要

摘要
積體電路發展迅速已成為現代新興工業的主流，為了增加元件的速度和效能以及降低生產成本，積體電路的元件積集度必須不斷地增加，使得元件的尺寸也必須不斷地縮小；為了解決因元件微縮造成的短通道效應問題，以及根據微縮法則下所要面臨的另一項因材料極限所產生的問題─量子穿隧效應，因此利用高介電係數材料取代MOS原來的二氧化矽成為不可避的趨勢。
Y2O3薄膜具有高介電係數(k=15~18)、低漏電流密度以及與矽基板介面熱穩定度高等優點，因此非常具有潛力應用在金氧半場效電晶體以及記憶體的介電層中。
本實驗主旨在利用高介電係數材料Y2O3作為矽閘極介電層，進一步對其作電性與物性方面的探討；利用射頻磁控濺鍍系統將Y2O3薄膜沉積在p-type (100)之矽基板上，以製作成MIS電容結構，並利用高低頻量測儀器進一步對元件做介電特性、漏電流密度及捕陷電荷等電性方面的分析，以期找到製程最佳化之條件。
在本實驗中，其沉積條件為濺鍍壓力5 mtorr、濺鍍功率為60W以及基板溫度為300℃時，Y2O3薄膜擁有最高之介電係數18.15，等效氧化層厚度為18.02Å，並且維持低漏電流密度7.13×10-8 A/cm2，明顯找到製程最佳化條件；而在不加溫時，元件的介面捕陷電荷、氧化層捕陷電荷及固定氧化層電荷，經由量測以及計算結果大約值都在1×1012~4×1012 eV-1cm-2範圍內；Y2O3製程最佳化條件的確定初步證實Y2O3薄膜是具有潛力之閘介電層，但仍須改善製程條件來減低捕陷電荷之數量級，以進一步掌控Y2O3薄膜的特性。

關鍵字

高介電係數 ； Y2O3薄膜 ； 射頻磁控濺鍍系統

並列摘要

Abstract
The dimension of electronic devices has shrinked continuously. In order to solve the problems of short channel effect (SCE) and quantum tunneling effect from the scaling rule, using a new material with a dielectric constant ε greater than that of SiO2 (~3.9) to replace SiO2 film as gate dielectrics is an indispensable task.
Y2O3 film has a lot of advantages, such as high dielectric constant (k=15~18), low leakage current density and larger heat of formation energy than that of SiO2. In thesis, I study the growth and characterization of Y2O3 films as gate dielectrics for Si prepared by RF magnetron sputter system.
The optimized deposition conditions are: sputter pressure of 5 mtorr, sputter power of 60W and substrate temperature of 300℃. The highest dielectric constant of Y2O3 films is 18.2 with the equivalent oxide thickness of 18Å, and the leakage current density of 7.13×10-8 A/cm2. The interface trap density (Dit), fixed oxide charge (Qf) and oxide trapped charge (Qot) were in the range of 1×1012 to 4×1012 eV-1cm-2. The preliminary results showed that the Y2O3 is a potential alternative for the Si MOSFET gate dielectrics. Yet the trapped charge density needs to be reduced and controlled to promote the quality of Y2O3.

並列關鍵字

High dielectric constant ； RF magnetron sputter system ； Y2O3 films

參考文獻

33. 陳逸書，〝以稀土氧化物Y2O3為金氧半場效電晶體閘極氧化層之研究〞，私立中原大學電子工程學系碩士論文， p.4~5

65. 陳逸書，〝以稀土氧化物Y2O3為金氧半場效電晶體閘極氧化層之研究〞，私立中原大學電子工程學系碩士論文， p.85~86

67. 陳逸書，〝以稀土氧化物Y2O3為金氧半場效電晶體閘極氧化層之研究〞，私立中原大學電子工程學系碩士論文， p.86~88

3. S. M. Sze, 〝Physics of Semiconductor Devices〞, Second printing July 1985, p.469~486

17. G. D. Wilk and R. M. Wallace, Appl. Phys. Lett. 74, p.2845 (1999)