研究背景與動機

世 界 上 的 第 一 顆 電 晶 體 發 明 至 今 已 經 長 達 了 數 十 年 之 久 ， 而 發 展 電 晶 體 的 主 要 目 的 乃 是 在 於 取 代 體 積 龐 大 的 真 空 管 ， 由 於 積 體 電 路 的 想 法 被 提 出 及 實 現 ， 使 得 積 體 電 路 產 業 開 始 蓬 勃 發 展 。 目 前 每 個 世 代 的 半 導 體 元 件 都 是 根 據 有 名 的 摩 爾 定 律 ( M o o r e ’ s Law) 進 行 微 縮 (scaling) 。 在 1 9 6 5 年 時 ， G o r d o n M o o r e 預 測 晶 片 ( ch i p ) 上 的 電 晶 體 數 目 將 隨 著 時 間 以 指 數 的 方 式 增 加 ， 而 電 晶 體 的 尺 寸 ( s i z e ) 亦 將 隨 著 時 間 以 指 數 的 方 式 縮 減 。 M o o r e 並 指 出 ， 隨 著 電 晶 體 密 度 ( d e n s i t y ) 以 指 數 的 方 式 增 加 ， 將 使 得 製 造 成 本 得 以 降 低 。 在 過 去 的 幾 十 年 來 ， 摩 爾 定 律 也 一 直 被 視 為 半 導 體 工 業 製 程 技 術 的 藍 圖 ( r o a d m a p ) 【 1 】 。 現 今 的 半 導 體 製 程 仍 是 以 發 展 時 間 較 久 而 且 技 術 也 較 為 成 熟 的 矽 基 ( S i l i c o n - b a s e ) 為 主 ， 工 業 界 為 求 減 少 製 造 成 本 ， 除 了 不 斷 的 增 大 晶 圓 的 面 積 以 外 ， 並 且 微 縮 電 晶 體 單 位 尺 寸 ， 以 求 能 在 相 同 晶 圓 面 積 下 有 較 高 的 積 體 電 路 密 度 ( I C ) 。 目 前 晶 圓 尺 寸 從 早 先 的 2 吋 發 展 至 今 日 的 1 2 吋 ， 而 元 件 尺 寸 亦 從 1 9 6 5 年 的 1 0 0 微 米 ( μ m ) 逐 漸 微 縮 至 今 日 ( 2 0 0 7 ) 的 4 5 奈 米 ( n m )。 現 今 元 件 從 微 米 世 代 進 入 到 了 奈 米 的 世 代 了 ， 元 件 微 縮 除 了 降 低 製 造 成 本 與 增 加 電 晶 體 積 集 密 度 之 外 ， 最 主 要 還 能 提 升 元 件 的 操 作 速 度 ； 因 此 ， 元 件 閘 極 的 通 道 長 度 與 閘 極 氧 化 層 厚 度 的 微 縮 已 是 必 然 的 趨 勢 【 2 ~ 3 】 。 然 而 ， 現 今 半 導 體 產 業 存 在 著 二 大 瓶 頸，一 是 當 元 件 不 斷 的 微 縮，將 會 有 不 好 的 短 通 道 效 應 ( S h o r t C h a n n e l E f f e c t ， S C E ) 出 現 ， 其 二 是 傳 統 介 電 質 ( d i e l e c t r i c ) 二 氧 化 矽 氧 化 層 厚 度 已 將 接 近 極 限 ， 難 以 藉 此 來 提 升 驅 動 電 流 。

一 般 而 言 ， 尺 寸 微 縮 之 基 本 規 範 有 兩 種 ， 即 整 體 尺 寸 縮 小 或 稱 定 電 場 尺 寸 縮 小 ( f u l l s c a l i n g o r c o n s t a n t - f i l e d s c a l i n g ) 及 定 電 壓 尺 寸 縮 小 ( c o n s t a n t - v o l t a g e s c a l i n g ) 【 4 】 ， 其 中 最 被 廣 泛 應 用 的 規 範 為 定 電 場 微 縮 ， 但 當 元 件 尺 寸 不 斷 微 縮 時 ， 其 操 作 電 壓 並 無 法 完 全 依 照 微 縮 規 範 成 比 例 下 降 ， 在 元 件 進 入 深 次 微 米 時 代 後 ， 將 會 出 現 各 種 短 通 道 效 應 ， 和 增 加 閘 極 氧 化 層 間 的 漏 電 流 。 例 如 汲 極 與 源 極 之 間 因 通 道 縮 減 ， 使 得 空 乏 區 越 靠 越 近 ， 造 成 基 板 穿 隧 電 流 增 加 ， 崩 潰 電 壓 ( B r e a k d o w n V o l t a g e ) 下 降 ， 嚴 重 時 更 會 引 起 貫 穿 效 應 ( P u n c h T h r o u g h E f f e c t ) ， 使 得 元 件 特 性 大 幅 衰 減 ； 此 外 ， 還 會 伴 隨 著 次 臨 界 擺 幅 (Subthreshold S l o p e ， S S ) 的 增 加 與 汲 極 引 致 的 能 障 下 降 ( D r a i n - I n d u c e d B a r r i e r L o w e r i n g ， D I B L ) 以 及 臨 界 電 壓 下 滑 ( T h r e s h o l d V o l t a g e R o l l - o f f ) 等 現 象 【 5 ~ 6 】 。 現 今 ， 較 有 效 抑 制 短 通 道 效 應 的 方 法 有 使 用 較 薄 的 閘 極 氧 化 層 與 較 淺 的 源 、 汲 極 層 (Source/Drain Layer) ； 另 外 ， 還 有 利 用 銦 環 型 佈 植 結 構 ( In-Halo 或 稱 為 口 袋 佈 植 Pocket Implantation) 來 抑 制 短 通 道 效 應 【 6 ~ 7 】 。 其 次 ， 當 元 件 進 入 奈 米 級 時 ， 閘 極 氧 化 層 的 厚 度 約 微 縮 至 3 n m 以 下 ， 由 於 氧 化 層 厚 度 過 薄 ， 閘 極 將 受 到 直 接 穿 隧 ( D i r e c t - T u n n e l i n g ) 的 影 響 使 得 漏 電 流 遽 增 ， 因 此 ， 元 件 的 效 能 已 難 藉 由 縮 減 閘 氧 化 層 來 提 升 。 根 據 2 0 0 6 年 國 際 半 導 體 技 術 藍 圖 ( I n t e r n a t i o n a l T e c h n o l o g y R o a d m a p f o r S e m i c o n d u c t o r s ， I T R S ) 的 預 測 ， 在 2 0 0 8 年 時 ， 元 件 的 閘 極 尺 寸 可 能 微 縮 到 2 2 n m ， 而 氧 化 層 厚 度 則 為 0 . 9 n m （ 9 A ） 。 為 了 解 決 傳 統 二 氧 化 矽 超 薄 氧 化 層 ( U l t r a T h i n n e r O x i d e L a y e r ) 微 縮 的 問 題 ， 故 I T R S 預 言 高 介 電 常 數 ( H i g h D i e l e c t r i c C o n s t a n t， H i g h - K ) 材 料 將 被 用 來 取 代 傳 統 的 二 氧 化 矽 ， 成 為 M O S F E T 用 來 抑 制 閘 極 直 接 穿 隧 漏 電 流 增 加 與 繼 續 元 件 微 縮 的 介 電 材 料 【 8 ~ 1 4 】 。 利 用 高 介 電 常 數 介 電 層 可 以 抑 制 閘 極 漏 電 流 的 原 因 乃 是 在 相 同 的 等 效 氧 化 層 厚 度 ( E q u i v a l e n t O x i d e T h i c k n e s s ， E O T ) 下 ， 其 物 理 厚 度 ( P h y s i c a l

T h i c k n e s s ) 為 傳 統 二 氧 化 矽 的 數 倍 ， 故 可 抑 制 閘 極 漏 電 流 。

雖 然 高 介 電 常 數 可 有 效 的 抑 制 閘 極 漏 電 流 ， 但 經 過 許 多 學 者 多 年 來 的 研 究 ， 將 其 運 用 在 傳 統 的 C M O S 製 程 技 術 上 ， 仍 舊 有 許 多 關 鍵 性 的 問 題 存 在 需 要 被 解 決 。 像 是 ( 1 ) 電 荷 補 捉 與 散 逸 ( C h a r g e T r a p p i n g a n d D e t r a p p i n g )： 在 元 件 受 到 偏 壓 及 溫 度 等 參 數 影 響 ， 使 得 電 荷 被 補 捉 於 高 介 電 常 數 材 料 本 體 內 與 界 面 處 ， 致 使 元 件 在 電 性 上 產 生 所 謂 的 磁 滯 效 應 ( H y s t e r e s i s E f f e c t ) 【 1 5 】。 ( 2 )較 高 的 界 面 陷 阱 密 度 ( I n t e r f a c e T r a p D e n s i t y )：絕 大 部 份 的 高 介 電 常 數 材 料 屬 於 過 渡 金 屬 ( T r a n s i t i o n M e t a l ) 氧 化 物 ， 及 其 材 料 的 熱 穩 定 性 不 佳 ， 使 得 高 介 電 常 數 與 矽 基 板 之 間 的 界 面 特 性 不 佳 ， 容 易 形 成 較 多 的 界 面 陷 阱 【 1 6 】 。 ( 3 ) 較 低 的 載 子 遷 移 率 ( M o b i l i t y ， μ ) ： 高 介 電 常 數 薄 膜 比 傳 統 的 二 氧 化 矽 有 更 嚴 重 的 庫 倫 散 射 ( C o u l o m b S c a t t e r i n g ) 、 界 面 不 平 整 ( S u r f a c e R o u g h n e s s ) 及 聲 子 散 射 ( P h o n o n S c a t t e r i n g ) 等 影 響 。 ( 4 ) 介 電 層 可 靠 度 的 問 題 ： 研 究 指 出 ， 當 介 電 層 厚 度 小 於 3 . 5 n m 時 ， 對 於 P 型 M O S F E T 而 言 ， 元 件 特 性 退 化 以 及 生 命 週 期 的 限 制 將 受 到 負 偏 壓 溫 度 不 穩 定 性 (Negative Bias Temperature I n s t a b i l i t y， N B T I ) 的 影 響 【 1 7 ~ 1 8 】 。 因 此 ， 有 許 多 的 學 者 正 研 究 著 如 何 解 決 這 二 者 之 間 存 在 的 問 題 ， 然 而 在 保 有 元 件 結 構 與 不 增 加 半 導 體 製 作 流 程 的 情 況 下 ， 選 擇 改 善 閘 極 通 道 工 程 是 較 不 容 易 引 發 其 他 問 題 的 方 法 。 例 如 ( 1 ) 採 用 超 薄 的 S O I ( U l t r a T h i n n e r S O I ， U T S O I ) 能 有 效 的 提 升 轉 移 電 導 ( g m，T r a n s - C o n d u c t a n c e ) 及 允 許 元 件 操 作 在 更 低 的 電 壓 下。( 2 ) 運 用 應 變 矽 技 術 ( S t r a i n S i l i c o n T e c h n o l o g y ) ， 由 於 應 變 矽 僅 需 改 變 矽 基 材 ， 製 程 上 與 C MO S 均 相 容 ， 是 一 種 不 需 要 改 變 製 程 就 能 大 幅 提 升 元 件 特 性 的 方 法 。 ( 3 ) 非 平 面 式 元 件 ( 3 D D e v i c e ) ， 如 鰭 式 電 晶 體 ( F i n - F E T ) ， 此 種 設 計 大 大 的 增 加 了 M O S 的 寬 度 ， 增 加 了 元 件 的 驅 動 電 流 並 減 少 其 漏 電 流，同 時 也 縮 短 了 閘 極 的 通 道 長 度。除 了 極 短 的 閘 極 通 道 長 度 外，F i n - F E T 亦 可 依 製 程 的 技 術 在 通 道 形 成 D o u b l e g a t e 、 T r i - G a t e 及 N a n o - w i r e 等 來

增 加 元 件 寬 度 【 1 9 】 。

為 了 解 決 上 述 所 提 到 的 問 題 ， 我 們 利 用 應 變 矽 的 技 術 來 改 善 。 本 論 文 所 研 究 探 討 的 應 變 方 式 為 利 用 閘 極 上 方 的 接 觸 蝕 刻 停 止 層 ( C o n t a c t E t c h S t o p L a y e r ， C E S L ) 來 造 成 通 道 產 生 應 力 ， 藉 此 提 升 載 子 遷 移 率 的 技 術 ； 這 樣 的 技 術 是 近 年 來 新 發 展 出 來 的 應 變 技 術 ， 用 以 產 生 應 變 矽 通 道 ， 其 優 點 為 能 與 現 有 的 M O S F E T 半 導 體 製 程 相 容 ， 不 須 多 增 加 昂 貴 的 硬 體 費 用 與 製 程 步 驟 ， 因 此 可 行 性 較 高 。 實 驗 結 果 發 現 ， 雖 由 接 觸 蝕 刻 停 止 層 對 通 道 產 生 應 力 能 夠 有 效 的 提 升 載 子 的 遷 移 率 ， 但 這 樣 的 應 力 同 時 也 會 對 元 件 造 成 一 定 程 度 的 傷 害 ( D a m a g e ) ， 因 此 我 們 也 對 這 種 具 應 變 技 術 的 金 氧 半 場 效 應 電 晶 體 做 可 靠 度 的 測 試 。