超大型積體電路超薄閘極介電層之電性研究

Abstract

由於超大型積體電路元件的縮小化, 使得元件上的閘極介電層( 傳統上為Si的氧化層 )愈來愈薄。然而, 傳統的工作電壓( 5V )并沒有隨著降低, 導致愈薄的介電層必須 承受愈高的電場。因此, 超薄閘極介電層可靠度的研究以及尋求可靠度更高的介電層 已成為非常重要的課題。 本論文對40A° 到200A°厚之超薄氧化層的電性及可靠性做了有系統的研究, 各項因 素包括氧化層厚度, 通入電流的大小、極性、以及成長的方法( 含乾氧、溼氧氧化 ) 對氧化層電性的影響都作仔細的探討。我們發現氧化層越薄, 崩潰電場愈大, 同時低 電流下的崩潰電荷也愈大。對應於在電流加壓下閘極電壓和平帶電壓漂移的變化, 上 述現象可歸因於, 在電流加壓下, 愈薄的氧化層捕捉電荷愈少所致。而在大電流加壓 下, 我們發現氧化層崩潰電荷對厚度呈現奇特的變化。至於電子注入極性的影響, 閘 極注入產生負向的平帶電壓漂移乃是穿透電子產生大量熱電洞所致。另外, 我們發現 溼氧氧化層的捕捉陷阱比乾氧氧化層多, 這是因為溼氧成長的氧化層會引入較多的– H,–OH等弱鍵。另一方面我們發現, 溼氧氧化層在低壓的氮化下可以改進介電層的可 靠度。由於在氮化過程中,Si-H,Si-OH 等弱鍵被較強的Si-N鍵所取代, 造成在電流加 壓下電荷捕捉率的減少。因此, 經過低壓氮化后的氧化層可得到較大的崩潰電荷。