高含氮氧化層介面層於二氧化鉿閘極介電層之金氧半場效電晶體特性研究

Abstract

隨著互補式金氧半場效電晶體元件尺寸的微縮，傳統的絕緣層-二氧化矽將遭遇漏電流過大的物理限制。因此，新的絕緣層是往後超大型積體電路發展極需解決的問題。近年來，高介電常數介電層的技術發展，已成為半導體產業最重要的研究之一。本篇文章利用高介電常數介電層在相同的等效二氧化矽厚度下，擁有較大的實際物理厚度以抵擋直接穿隧的漏電流。 此篇文章主要是探討以二氧化鉿堆疊式閘極金氧半場效電晶體，並搭配不同於一般傳統在高溫下通氧化氮氣體所形成的氮氧化矽介面層,而是利用創新製程的氮氧化矽作為閘極介電層與矽基板間的介面層。在先前的報告已指出，含氮氧化層擁有許多傳統氧化層所沒有的優點，例如，有好的抵抗硼擴散的能力、能有效防禦高電場所造成的熱載子破壞、有較高的介電強度等優點。此外，應用二氧化鉿作為閘極介電層也有許多優點，例如良好的高溫熱穩定性、且有比氮氧化矽還要高的介電係數、有效降低漏電流等。 我們提出了創新的製程，使得在二氧化鉿閘極介電層與氮氧化矽介面層的介面上擁有高含量的氮元素，更能有效的去抵擋硼的擴散。形成此堆疊式閘極介電層有三步驟，首先把晶片浸泡於雙氧水中，形成化學氧化層，之後利用低壓水平爐管，通氨氣去執行氮化，即完成氮氧化矽介面層，最後再疊上二氧化鉿閘極介電層即完成。經過以上步驟，就可以在介面上形成高氮含量層，此法製程簡單與目前的製程技術是相容的。 最後，我們會將此含氮氧化層應用在高介電常數閘極介電層之N型金氧半場效電晶體上，並使用不同的高介電常數閘極介電層熱退火溫度製程為比較樣本，探討它們的電性及可靠度，發現較高的高介電常數熱退火溫度樣本擁有比較高的驅動電流及良好的抵抗定電壓應力的能力。