新穎低溫複晶矽薄膜電晶體與前瞻非揮發性記憶體元件之製作與特性研究

Abstract

本論文首先提出以鈍化方式來提昇低溫複晶矽薄膜電晶體(Poly-Si TFTs)的特性以及元件的可靠度。本論文提出在非晶矽薄膜沈積後，以氟(F)離子佈植的方式，先預先植入非晶矽薄膜中，其佈植劑量為5×1013cm-2。經過傳統的固態結晶技術（SPC）之後，再進行後續的元件製作。我們發現經過氟離子佈植過後的複晶矽薄膜電晶體其元件特性相較於傳統的固態結晶的薄膜電晶體，有比較低的起始電壓(VTH),較低的次臨界導通特性(S.S),以及較高的載子移動率(μFE)。此乃由於氟離子佈植會降低複晶矽薄膜中本身的缺陷(trap)，包括淺能階(tail state)以及深能階(deep state)的缺陷，進而提昇元件的特性。相較於傳統的氟離子佈植的鈍化方法，在做熱結晶前並沒有額外的氧化層沈積。經過固態熱結晶後，薄膜中的氟離子會聚積到複晶矽的表面，以及複晶矽與緩衝氧化層(buffer oxide)的介面，此乃氟離子會受熱而往氧化層聚積。複晶矽表面的原生氧化層(native oxide)同時也具有使氟離子聚積的驅動力。這不但可以將傳統以氟離子佈植來鈍化複晶矽薄膜電晶體的技術的製程步驟減少，以及減少元件製程的複雜度。更進一步地討論，當氟離子佈植劑量提高到5×1015cm-2時，元件的特性卻造成劣化，此乃因為過多的佈植劑量將無法完全溶解在複晶矽薄膜中，形成額外的缺陷，卻降低了低溫複晶矽薄膜電晶體的特性。其經過氟離子佈植後而進行固態熱結晶的複晶矽晶粒尺寸也在此被討論，我們發現複晶矽晶粒大小並沒有隨著佈植劑量有改變。因此，其元件特性的提昇乃是由於氟離子的鈍化造成的結果。 同樣地，我們也發現以準分子雷射(excimer laser)進行雷射結晶的低溫複晶矽薄膜電晶體，也與傳統的固態結晶方法結晶的技術有相似的結果。由於雷射結晶是個快速的製程步驟，複晶矽薄膜以及緩衝氧化層也因快速的熱膨脹造成額外的缺陷密度。往複晶矽與緩衝氧化層介面聚積的氟離子將可以消除雷射結晶所造成額外的缺陷密度。我們也發現過高的氟離子佈植劑量也會造成元件特性的劣化。此乃由於複晶矽薄膜本身對氟離子的固態溶解度的問題。同時，我們發現以氟離子佈植劑量為5×1013cm-2時，複晶矽晶粒比起傳統以及高劑量的複晶矽晶粒要來的大。因此，元件特性的提昇乃因為晶粒尺寸提昇以及氟離子鈍化的結果。 我們同時也對經氟離子佈植的低溫複晶矽薄膜電晶體元件做可靠度的探討。我們發現經過氟離子佈植過後的元件具有較高的直流(DC)偏壓下的電性可靠度，包括較低的起始電壓的漂移、次臨界特性漂移、以及導通電流漂移。此乃因為佈植的矽-氟(Si-F)鍵取代矽-矽(Si-Si)以及矽-氫(Si-H)，使得較強鍵結的矽-氟鍵可以抵抗電流的衝擊，造成可靠度的提昇。更進一步地討論，我們也發現氟離子佈植劑量為5×1013cm-2¬的時候，其載子移動率可以提昇到兩倍。而氟離子佈植應用在準分子雷射結晶的元件上，具有較為明顯的可靠度提昇。此乃因為以雷射結晶的元件具有較低的薄膜缺陷密度，使得後續的電流衝擊也不致破壞元件的可靠度。事實上，也發現矽-氟鍵的強鍵結可以抵抗由於準分子雷射結晶造成較高的載子移動率，造成較低的劣化程度。因此，氟離子佈植在結晶前的應用技術，更適用在以雷射結晶的方法。 以新結構方式來提高低溫複晶矽薄膜電晶體元件的可靠度，在此論文也提出來討論。我們提出以具氟摻雜的氧化矽（F-incorporated SiOx,FSG）作為新穎的側壁子(spacer)材料。側壁子結構可以降低元件在汲極端的高電場，可以降低載子得到高的撞擊能量而造成斷鍵。具氟摻雜的氧化矽在複晶矽的表面產生保護的作用，相較於傳統以氧化矽為側壁子材料的低溫複晶矽薄膜電晶體具有壓抑的扭結效應(kink effect)，以及較明顯的可靠度提昇。 本論文同時也針對非揮發性記憶體元件做研究。我們提出兩種氮化矽鍺的堆疊結構氮化矽鍺(SiGeN)作為鍺奈米點(Ge nanocrystal)的自我析出層(self-assembling layer)，其一為以厚的氮化矽鍺作為自我析出層;其二為在氮化矽鍺沈積後，隨即成長非晶矽薄膜（a-Si）。經過高溫熱氧化後，鍺奈米點會自我析出在氮氧化矽(SiON)薄膜中。厚的氮化矽鍺薄膜堆疊結構以長時間的熱氧化來析出鍺奈米點，隨即形成較厚的氮氧化矽作為阻擋氧化層;而具非晶矽薄膜的堆疊結構以短時間的熱氧化來析出鍺奈米點，隨即再經由高溫水氣處理後，提昇阻擋氧化層自身的品質，可以抵抗儲存的電荷流失至閘極金屬。其明顯的記憶視窗(memory window)是來自於鍺奈米點的貢獻。 我們也針對傳統的氮氧化矽作為載子儲存層的堆疊結構，以及矽鍺薄膜作為鍺奈米點自我析出層的結構做比較。我們發現本論文所提出的鍺奈米點埋在氮氧化矽的結構，其得到的記憶體效應比傳統的氮氧化矽薄膜，以及鍺奈米點埋在氧化層中的堆疊結構還大。甚至其記憶體效應比兩者的疊加結果還要大，此乃因為鍺奈米點埋在氮氧化矽為主的載子儲存層中，會產生額外的儲存中心，進而增進記憶體效能。