沉積後電漿處理對鉿類高介電常數材料熱穩定性之影響

Abstract

隨著金氧半場效電晶體的微縮，二氧化矽當作閘極介電層將面臨到物理限制。當互補式金氧半場效電晶體的閘極通道長度微縮到100奈米以下時，閘極介電層的有效電性厚度將縮小至1.2奈米以下，以二氧化矽當作氧化層將會面臨到很多的挑戰，影響最嚴重的就是超薄厚度之二氧化矽絕緣膜其直接穿遂電流將大到無可忍受的程度，因此需要高介電係數材料來取代二氧化矽作為閘極氧化層。高介電係數氧化層可以擁有較厚的物理厚度而維持相同的等效氧化層厚度來抑制穿遂電流的形成。其中鉿類為主的材料被認為是目前最有可能來取代二氧化矽。本實驗以鋁-HfO2,HfAlOx-矽之MIS結構為分析元件。首先，我們利用原子層沉積方法分別在矽晶片上沉積HfO2和HfAlOx，然後進行不同溫度的沉積後退火步驟，找出最適當的退火溫度。接著再分別進行表面電漿處理以及電漿後的退火步驟。最後，我們再進行900度30秒的高溫快速熱退火。我們利用量測C-V和I-V曲線去探討薄膜的基本特性。另外藉由磁滯效應、SILC特性、CVS測試和不同的sintering時間來討論經過電漿處理和沒有經過電漿處理元件的可靠度分析。我們可以發現經過電漿處理的試片可以承受較高的溫度卻不會降低原本的電容值。這是因為電漿源中的氮原子可以抑制介電層和矽之間的氧化層成長。最後我們也可以發現HfAlOx比HfO2 的熱穩定性較高，但是其電容值是比較低的。