Abstract
為了解決在元件閘極氧化層厚度快速縮小的趨勢下，隨之產生的閘極漏電流過高之問題，尋找新型閘極介電層材料以替代原先二氧化矽介電層，是當今非常重要的一個課題。為了解決這些問題，本論文使用Si表面氮化方式及金屬(Ti/Ta/Al)摻雜HfOxNy作為高介電常數閘極介電層，並且使用TaN為電極，之後再疊上Al完成金氧半電容元件。本論文實驗研究可分為四大部分： 第一部分則是在HfOxNy沉積前，對基板施以不同製程條件的前處理，來研究對於元件特性的影響。得知矽半導體表面之氮化處理可有效減少介電層雜質擴散之進入，同時也抑制晶圓內含氧之外擴散而形成表面氧化層，以降低介面陷阱密度。本實驗以爐管表面氮化處理及電漿表面氮化處理後的基板，對於元件的電特性，得知適量的氮化處理對EOT、漏電流、SILC、Stress CV、Dit、崩潰電壓等特性，都有較佳的表現。 第二部分為Ti摻雜HfON的HfxTiyOzN介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度以及不同厚度的HfON當作緩衝層來探討對HfxTiyOzN金氧半電容電特性的影響。由實驗結果中我們發現，當PDA的溫度在900℃時，元件可以有較小的閘極漏電流，而當Buffer layer變厚時，則元件的可靠度如在SILC、Stress CV、磁滯、Dit等特性上可以顯著提升。 第三部分我們探討的是Ta摻雜HfON的HfxTayOzN閘極介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度以及不同厚度的HfON當作緩衝層。可以得知，當緩衝層變厚或PDA的溫度在900℃時，會有較低的漏電流，而當HfxTayOzN的Ta含量增加的時候，雖然因為Band Offset使漏電流變大，但是元件的可靠度如在SILC、Stress CV、磁滯、Dit等特性上可以顯著提升。 第四部分則是在比較HfxAlyOzN閘極介電層，以不同的PDA(Post Deposited Annealing)溫度及不同Al摻雜HfON的HfxAlyOzN介電層的比例，來研究對於元件特性的影響。結果我們發現，當Al比例提高和PDA900oC時，可使EOT下降到約為1.19nm，且SILC、Stress CV、Dit等特性上可以顯著提升。