金屬氮化物之功函數調變研究

Abstract

本論文介紹了氮化鉬和氮化鎢在不同成分比的功函數調變能力以及搭配二氧化鉿高介電常數氧化層後的電性結果。試片在含有不同氮/氬比例的氣體環境下，以濺鍍沈積方式沈積出不同氮/鉬和氮/鎢成分比的氮化鉬和氮化鎢金屬閘極。氧化層主要是雙層結構二氧化鉿/二氧化矽和對照組二氧化矽。試片在氮氣環境下做不同溫度退火處理，探討金屬氮化物本身的特性與金屬氮化物/二氧化鉿的熱穩定性。 在氮化鉬方面，氮/鉬比從0增加到1.45功函數由4.6增加到5.1eV，調變幅度達0.51eV，適用於P型電晶體。調變機制受到氮原子比例控制，當氮原子趨於飽和，功函數調變也趨於定值。在搭配二氧化鉿氧化層方面，經過高溫退火後，氮化鉬不但相位和晶向不變，也不會與二氧化鉿有任何化學反應，熱穩定性相當好。此外，在二氧化鉿上的附著力也極佳。氮化鉬並不會受到高介電常數二氧化鉿的費米能階限制影響。因此，氮化鉬適合搭配二氧化鉿作P型電晶體。 在氮化鎢方面，氮/鎢比從0增加到0.8功函數即增加0.51eV。但是氮/鎢比從0.8到1.57，功函數反而下降0.15eV。不同氮含量的氮化鎢在HfO2氧化層上的功函差距比在SiO2氧化層上低約0.15eV，可能有費米能階限制的發生。至於被限制的費米能階真正位置，得需進一步的研究與探討。氮化鎢經過高溫退火會產生氮氣脫附，加上氮化鎢功函數調變範圍不大，在目前半導體高溫製程上不太適用。