高介電常數材料氧化鋁之特性研究

Abstract

在動態記憶體元件製程中，塹渠式的動態記憶體已被廣大應用在生產線上。然而，隨著半導體的微縮定律，目前技術所提供的儲存密度漸漸不敷使用，傳統的複晶矽/二氧化矽/矽已無法提供足夠的電荷儲存量，因此，我們改以金屬/絕緣層/金屬替代，配合高介電係數材料來替換傳統的二氧化矽，希望可以大大提高塹渠式的動態記憶體的電荷儲存量。 在許多高介電係數材料之中，氧化鋁是一種非常有潛力的高介電係數材料。它有足夠的介電係數（約8∼10），以及相對高的載子能障（對電子約2.9電子伏特，對電洞約4.3電子伏特），以及良好的熱穩定性。相較於其他高介電係數材料，氧化鋁擁有較高的結晶溫度，適合應用在塹渠式的動態記憶體。 在我們的實驗過程中，我們先在矽基板上沉積氧化鋁的電容結構，探討氧化鋁沉積的最佳條件，包括沉積時的反應溫度、沉積後退火的溫度、沉積時通氧氣的時間以及流量……等等。 之後，我們在氮化鈦上，以這些最佳條件沉積氧化鋁，最後並沉積上電極氮化鈦，完成氮化鈦/氧化鋁/氮化鈦結構。我們研究氮化鈦/氧化鋁/氮化鈦結構，發現高的沉積後退火的溫度會導致大的漏電流。我們在降低漏電流方面也做了些努力。 我們在下電極氮化鈦和氧化鋁之間，沉積一層氮化鋁，完成氮化鈦/氧化鋁/氮化鋁/氮化鈦結構。發現的確可以減低漏電流，但在高的沉積後退火溫度處理之後，漏電流被抑制的效果有限。 我們又試著改變下電極氮化鈦的厚度，希望可以得到比較平整的氧化鋁及氮化鈦的接面，並抑制漏電流。發現漏電流可以更有效的被抑制，但仍然無法承受高的沉積後退火溫度處理。 我們從物性分析的結果發現，在高溫的情況之下鋁原子和鈦原子會相互擴散，這可能是氮化鈦/氧化鋁/氮化鈦結構在高溫處理後有很大的漏電流的原因。如何讓氮化鈦/氧化鋁/氮化鈦結構可承受高的沉積後退火溫度處理，也是往後重要的課題。