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  • 學位論文

金屬閘極與高介電層界面製程對高功函數閘極金氧半元件之電特性影響

Process of Interfacial Layer at Metal gate / High-k on Electrical Characteristic in MOS Devices with High Work Function Gate

指導教授 : 張廖貴術

摘要


為了改善MOSFET 的性能,元件的尺寸被要求越來越小,許多新穎的研究成果已被發表出來,其中,高功函數金屬閘極的研究相當引人注目。本論文研究重點在金屬閘極和高介電層的界面製程,探討不同的界面處理對金氧半元件電特性之影響。主要分成四部分:在探討界面處理對元件有何影響前,我們想先了解,當介電層的成分比例改變 時,對金屬閘極元件之電特性的影響。此部分實驗我們以ALD 的方式來沉積金屬閘極,並搭配兩種鉿與氧成分比例不同的高介電層:HfO2/Hf 或HfO2。主要分為兩個部分進行討論:一、討論HfO2 鉿氧成分比例改變時,對堆疊式金屬閘極元件之熱穩定性與電特性影響。二、研究TiN 的厚度變化對金屬閘極元件之電性及可靠性的影 響。由實驗結果,我們用ALD 沉積5 奈米TiN 並搭配HfO2/Hf 的金氧半元件,具有較好的電性與可靠性,且功函數有些微提高。 接著探討對元件的界面做CF4 電漿處理後,對元件有何影響。我們CF4 電漿處理的位置在High-KMetal gate 界面或是Metal gateMetal gate 界面,將界面曝露在CF4 電漿內30 秒或60 秒,並在後續製程進行不同溫度PMA:550oC、650oC、750oC。 我們發現對元件的High-KMetal gate 界面作CF4 電漿處理,並在製程中施加較低溫的PMA,可得到功函數較高的元件。CF4 電漿處理能提升金屬閘極元件的功函數,需注意的是,當我們CF4 電漿處理的時間較長或PMA 過高溫時,元件的電性表現及可靠性皆會變差。 接在界面處理的討論之後,是討論提升元件功函數的議題,分成兩小節:(a).從金屬閘極材料選擇上著手,在金屬閘極中摻入高功函數材料Ni。我們將Ni 和TiN 共鍍,形成TiNiN 的合金,由於Ni 在高溫退火厚易往下擴散,故我們在TiNiN和HfON 之間沉積不同厚度的TiN,以TiN 來阻擋Ni 的擴散,使Ni 在不破壞元件特性的前提下,達到提升功函數的目的。由實驗結果,NiTi100 的sample 其電特性及可靠性越好,其中NiTiN100 其功函數約為4.7 eV,NiTiN150 功函數約為4.4 eV。TiN 本身為功函數較低的材料,由於NiTiN150 摻入的Ni 量遠少於TiN,提升元件功函數的效果較有限。(b).針對元件作界面處理,在介電層與金屬閘極界面分別摻入0、3、6 cycl 的氮化鋁,來提升元件功函數。實驗結果發現:在金屬閘極和介電層界面堆疊6 cycle 的AlN 可使元件的漏電流降低,遲滯現象和可靠性皆獲得改善,且元件功函數有提升的現象,功函數提升量與AlN 在High-K/Metal gate 之界面的量成正比,未來可將此項處理結果應用於其他高功函數材料堆疊的元件上。參考前面CF4 電漿處理以及在界面摻入AlN 的實驗經驗,將之使用於電晶體製程上。我們對金屬閘極TaN 與TiN 界面進行30 秒的CF4 電漿處理,並在介電層HfON 與TiN 的界面分別沉積0、10、15 cycle 的AlN。與第五章的狀況不同的是,隨著AlN 含量上升,Vfb 有往左偏移的趨勢。在閘極漏電流的比較上,我們發現到隨著AlN 的量增加,漏電流有下降的趨勢。在IdVd 的部分,介電層與金屬閘極界面處有參雜AlN 的元件,其Id 的值較大。在元件轉導的比較上,我們發現有摻入AlN 的元件其轉導值較高。在載子移動率的比較上,得知AlN 15 cycle 的元件,其載子移動率會受Al 影響而下降,而在介面堆疊AlN 10 cycle 則可以在不降低元件載子移動率的前提下,改善元件的電性及可靠性。

關鍵字

金屬閘極 功函數

參考文獻


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