應用氮化閘鉿鋁氧化介電層及矽鍺通道以提升金氧半元件電特性之研究

Enhanced electrical characteristics of MOS devices by nitrided HfAlO gate dielectric and SiGe channel

蔡坤宏(Tsai Kuen Hong)

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(2008年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2008.00423

摘要

為了持續改善元件的性能，金氧半元件之閘極氧化層 (SiO2) 的厚度必須繼續縮小，然而極薄的閘極氧化層SiO2常伴隨著高的閘極漏電流，對於IC應用而言是一個很嚴重的問題。在金氧半元件中為了減少閘極漏電流，High-k材料已被廣泛使用來取代二氧化矽作為金氧半元件的閘極介電層，因為它可維持相同的EOT下成長較大物理厚度的氧化層進而減少閘極漏電流。
本論文首先研究MOCVD成長之介電層HfO2，利用化學氧化層介面處理改善MOCVD之介電層HfO2，在成長High-k之前以化學氧化層介面處理後，成功的使EOT特性上獲得明顯的微縮。在介面特性、可靠度方面，顯示樣品經化學氧化層介面處理後，對於元件操作的穩定性上都有顯著的提升。此外，為了改善HfO2熱穩定性的問題，我們進一步在介電層中摻入鋁使介電層成為HfAlO。由物性分析XRD可知，HfAlO明顯提升了熱穩定性，電特性上也進一步得到改善。
為了進一步得到提升元件可靠度，在第二部分，我們使用MOCVD成長之HfAlO為介電層， 以電漿浸潤式離子佈植(PIII)的方式，從閘極上方摻雜N至介電層中。結果顯示，氮化後介電層能夠抑制外來雜質的侵入，擁有較佳的元件操作特性，而佈植的條件以2.5KeV、10分鐘最為最佳。
為了提升載子遷移率，改善元件的操作速度，在第三部分，針對金氧半電容在不同矽鍺比例之載子通道及不同Si覆蓋層厚度做探討，發現鍺含量於20.84%為較恰當的組成比，因為其EOT和漏電流沒有因為基板的應力釋放，產生過多的劣化，元件在可靠度Stress CV及SILC亦有相當的穩定度；而在不同Si覆蓋層厚度部分，發現當厚度小於2 nm時，將造成元件電特性的劣化及不穩定性，因此覆蓋層厚度以不小於2 nm為原則。

關鍵字

高介電係數 ； 鉿鋁氧化 ； 矽鍺 ； 金屬有機化學汽相沈積 ； 金氧半

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無資料

並列關鍵字

High-k ； HfAlO ； SiGe ； MOCVD ； MOS

參考文獻

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