高介電常數材料在奈米元件關鍵製程技術之研發(I)

Abstract

第一年度：高介電常數材料特性之改善與結晶化溫度之提升 本年度計畫的主要目的在於針對幾種不同的高介電常數材料（HfO2 和Al2O3）做基本特性 的分析與改善，並提升其結晶化溫度。首先，第一部份高介電常數材料特性之研究與改善，研 究HfO2 和Al2O3 這兩種高介電常數材料的電性和物性，電性分析包括本體缺陷（bulk defect） 和界面缺陷（interfacial defect）的降低、載子的傳導機置（conduction mechanism）、遲滯效應的 降低、可靠度的分析和界面層厚度的抑制和組成等；物性分析則涵蓋XRD 觀察結晶化程度、 XPS 分析兩種高介電常數材料的組成和成份比及TEM 觀察高介電常數材料的結晶情形、厚度和 界面層的形成等。其次，第二部份結晶化溫度的提升，利用離子佈植或氧化的方法，將HfO2 轉換成三元的高介電常數材料HfOxNy、HfSixOy 和HfAlxOy 以提升其結晶化溫度，期望在後續的 高溫製程中仍然維持非晶矽（amorphous Si）的形態，以減少可能的漏電流路徑和摻雜物的擴散。 電性分析則包括載子在不同結晶程度和不同的三元高介電常數材料的傳導機置（conduction mechanism）、遲滯效應、可靠度的分析和界面層厚度的抑制和組成等；物性分析則涵蓋XRD 觀 察三元高介電常數材料結晶化程度、XPS 分析三元高介電常數材料的組成和成份比及TEM 觀察 高介電常數材料的結晶情形、厚度和界面層的形成等。 第二年度：超低溫超薄臭氧水氧化層與金屬閘極之研究 第一部份主要目的在於利用超底溫（室溫）成長超薄臭氧水氧化層做為高介電常數材料的 界面層，比較此種界面層和之前幾種界面層的優劣。之後，再將高介電常數介電層和最佳化的 界面層一起整合在金屬閘極的研究中。首先，第一部份超低溫超薄臭氧水氧化層之成長研究， 我們將利用超低溫（室溫）成長超薄臭氧水氧化層（Ozone oxide），研究超薄臭氧水氧化層的品 質和成長的速率、臭氧濃度及PH 值之間的關係，搭配不同的高介電常數材料，做為各種高介 電常數材料的界面層，來改善高介電常數材料和矽的界面特性，並將研究其物理機制及對元件 的電性和物性特性。電性分析包括載子的傳導機置（conduction mechanism）、遲滯效應的降低、 可靠度的分析、界面層厚度是否隨沉積的高介電常數材料不同而變，以及界面層厚度是否隨沉 積後處理方式不同而變等；物性分析則涵蓋XPS 分析高介電常數材料在超薄臭氧水氧化層界面 層上的組成和成份比及TEM 觀察高介電常數材料的結晶情形、厚度和界面層的變化等。其次， 第二部份金屬閘極與高介電常數介電層的整合研究，針對閘極製程，高介電常數材料將會搭配 複晶矽閘極或者是不同的金屬閘極（如Pt、Al、TiN 和TaN）。我們將分別研究這些組合所產生 的問題，並且對高介電常數材料搭配不同的金屬閘極進行研究，並評估不同的金屬閘極對元件 電性和物性的影響。電性分析包括不同金屬閘極的阻值、載子的傳導機置（conduction mechanism）、遲滯效應的降低、可靠度的分析及界面層厚度是否隨閘極材料不同而變等；物性 分析則涵蓋XPS 分析高介電常數材料在不同的閘極材料下的成份比變化及TEM 觀察高介電常 數材料和閘極材料的接觸情形、厚度和界面層的變化等。 第三年度：高介電常數材料在奈米元件上的應用 本年度計畫的主要目的在於將之前最佳的高介電常數材料沉積條件、最佳的界面層成長方