3-1 元件結構與製程
此實驗主要探討氮氣熱退火處理對 HfSiOX的可靠度分析，因此 樣本使用六吋 P 型矽基板的電容結構，其中氧化層分別為經過氮化處 理與未經氮化處理的 HfSiOX介電層材料。
首先將晶片(Si Wafer)經過 RCA 標準清洗，去除微塵粒、有機物、
無機物、金屬離子等雜質，再利用金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)系統沉積 16nm 厚的介
電層，其中 MOCVD 的前驅物為(Precursor)Hf[CO(CH3)3]2 [CO(CH3)2
CH2- OCH3]2與Si[CO(CH3)3]2[CO(CH3)2CH2OCH3]2，同時腔體內通入 O2氣體，反應後形成HfSiOX薄膜。
將元件置於充滿氮氣的環境下以 900℃維持 30 秒的快速熱退
火 ， 再 經 由 預 烤(Pre-Back) 去 除 晶 圓 上 的 水 氣 、 上 光 阻 、 軟 烤 (Soft-Back)、曝光(Exposure)、顯定影等步驟定義光阻圖案(Pattern)，
最後由硬烤(Hard-Back)步驟方便後續的蝕刻製程。
接著利用反應式真空濺鍍(Reactive Sputtering)系統，沉積 50nm 的氮化鉭(Tantalum Nitrogen，TaN)薄膜作為金屬閘極層，並使用 Lift-Off 的製程技術定義閘極圖案。最後經由 B.O.E 去除晶片背面的
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面作為背電極，完成了 MIS(Metal Insulator Semiconductor，MIS)的電 容結構。其流程如圖 3-3.1，3-3.2 所示。
RCA 標準清洗
MOCVD 沉積 HfSiOX
未經 N2 RTA 處理 900℃ N2 RTA 處理 定義光阻圖案
沉積 TaN 金屬閘極層 定義閘極金屬圖案 背鍍 Al-Si-Cu 電極
圖 3-1.1 HfSiOX MIS 結構簡易流程
氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究
氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究 (Hysteresis Effect)與遲滯電壓偏移量也明顯減少。推測是經過 N2 RTA 後，正陷阱電荷(Positive Trap Charge)與薄膜內的陷阱與缺陷皆有減少 的現象，降低薄膜內的電荷捕捉。
使用定電壓測試量測元件的電流對時間(I-t)特性圖。將閘極偏壓 固定於-9.4V，測量元件的崩潰時間，如圖 3-2.3，3-2.4 所示。經過 N2 RTA 處理後的崩潰電壓與崩潰時間有明顯的增加，同時漏電流也 被觀察到有減少的現象。
分析元件的生命期也是可靠度分析的重要項目之一，因此利用韋 伯分佈(Weibull Distribution)曲線可預測元件的生命期。圖 3-2.5 顯示 經過 N2 RTA 處理與未經 N2 RTA 的韋伯累積分佈函數(Weibull Cumulative Distribution Function，CDF)圖。此圖說明經過 N2 RTA 處
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理的元件有較高的 TBD63.2%值，因此此元件的TDDB 可靠度較佳。
圖 3-2.1 閘極介電層 HfSiOx (16nm)，在累積模式(accumulation mode) 經過 900℃RTA 的 J-V 圖。
圖 3-2.2 為 TaN/HfSiOx (16 nm)/p-sub/Al-Si-Cu 之 MIS 電容結構經過 900℃RTA 與 No RTA 的 C-V 圖
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圖2-3.3 TaN/HfSiOx (16 nm)/p-sub/Al-Si-Cu 之 MIS 電容結構在累積模 式下固定偏壓測試 No RTA 的 I-t 圖
圖3-2.4 TaN/HfSiOx (16 nm)/p-sub/Al-Si-Cu 之 MIS 電容結構在累積模 式下固定偏壓測試 900℃RTA 的 I-t 圖
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圖 3-2.5TaN/HfSiOx (16 nm)/p-sub/Al-Si-Cu 之 MIS 電容結構，閘極偏 壓為累積模式且固定偏壓(VG = -9.4V)，900℃RTA 與 No RTA 之韋伯 分佈圖。
氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究 (Electron Trap Creation)，當測試時間增加，便造成永久性崩潰(Hard Breakdown，HBD)，其崩潰機制如圖 3-3.1 所示。而 HfSiON 則是在 電子捕捉後，發生少數暫時性崩潰(Soft Breakdown，SBD )與漸進式 崩潰(Progressive Breakdown，PBD)，最後產生多數直接永久性崩潰，
如圖 3-3.2 所示。
另外，觀察 HfSiON 的崩潰機制，可由崩潰電壓做初步的分析。
由圖 3-3.3 觀察出 HfSiON 的崩潰行為，當正偏壓作用於元件時，
nMOS 的 反 轉 模 式 (Inversion Mode) 與 pMOS 的 累 積 模 式 (Accumulation Mode)皆崩潰於約 4V 的電壓，而 nMOS 的反轉模式卻 觀察出較為不同的崩潰行為。
由於 nMOS 反轉模式發現許多的崩潰行為在 4V 後發生，因此利 用穿透式電子顯微鏡(TEM)得到 nMOS 崩潰後反轉模式與累積模式 的薄膜結構圖，可發現崩介電層潰導致的磊晶(Dielectric Breakdown
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Induced Expitaxy，DBIE)現象[4]。圖 3-3.4(a)所示，反轉模式的磊晶 方向是由矽基板往閘極的方向進行，反之累積模式的磊晶方向由閘極
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圖 3-3.3 nMOS 與 pMOS 的 Jg-Vg曲線圖[4]
圖 3-3.4 nMOS 反轉模式(a)與累積模式(b)的 DBIE 行為[4]
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