Abstract
為了改善MOSFET電晶體的性能，元件的尺寸被要求越來越小，在未來的CMOS技術中等效氧化層厚度 (EOT) 甚至被要求縮小到1.0nm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，導致有很大的閘極漏電流發生。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。另外在閘電極方面，ITRS的roadmap中認為使用金屬閘電極是一個可以防止多晶矽閘極高片電阻和空乏效應發生的技術之一。 本論文研究的重點放在High-k介電層和金屬閘極的材料選擇上。在High-k介電層這部分選用HfTaSiON當作介電層材料，而且在介電層和矽基板間沉積一層0.5nm的HfON緩衝層可以改善元件電特性和熱穩定性，插入這個緩衝層後也可提高介電層和矽基板界面的品質，因為從XPS分析中可偵測到較高濃度的Si-O bonds，從XRD分析中也可得到減緩結晶的特性。除了插入一層緩衝層可提高介電層品質外，將介電層HfxTaySizOwN中Hf含量減少 (即提高TaSi含量) 在物理特性方面可以使薄膜在高溫退火下保持非晶態，並且可以抑制金屬離子的擴散和改善界面特性，在電子特性方面可以提升介電層的品質和可靠度，如漏電流、遲滯、stress-induced Vfb shift & leakage current和Dit。 金屬閘極這部分的研究中選用HfTaSiN當作金屬閘電極材料，在SiO2上面沉積Hf0.19Ta0.41Si0.26N0.14閘電極可以獲得極佳的電特性和熱穩定性，因為此組成下的金屬閘極從SIMS分析中可獲得最少的金屬離子擴散，且其擴散情形較不受PMA溫度影響。在金屬閘極功函數方面，Hf0.19Ta0.41Si0.26N0.14閘電極在SiO2上面可獲得熱穩定性極佳的near-midgap金屬功函數，可應用在FD-SOI或SDG元件的閘電極上。 元件的持續微縮使SiO2的漏電流越來越嚴重，多晶矽空乏效應和p型多晶矽的boron穿透等問題變得很重要，所以金屬閘電極和High-k介電層的整合在未來科技裡變得越來越重要。我們將Hf0.19Ta0.41Si0.26N0.14閘電極搭配HfOxNy介電層可獲得極佳的熱穩定性，且EOT為1.45nm。與HfTaN/HfOxNy和TaN/HfOxNy結構相比，在差不多的EOT下HfTaSiN/HfOxNy的結構可獲得2個次方的漏電流改善，並有較佳的電特性和熱穩定性，這是因為Si加入到金屬電極中可抑制金屬離子在高溫製程後的擴散，使得金屬閘極更穩定，所以HfTaSiN/HfOxNy的結構擁有較佳的界面品質。 最後我們也研究出HfTaN閘電極應用在SiO2和HfOxNy介電層上對於功函數的影響，結果發現皆可獲得熱穩定性不錯的功函數，分別為4.6 eV和4.7 eV，可應用在FDSOI元件上的閘電極使用。