經過不同 RTA 退火與微波退火後對 a-Si/TiN/Al 2 O3/Chemical

圖 4.23 為 a-Si/TiN/ Al₂O₃ /Chemical Oxide/Si 結構經過 RTA 退火(a)900 ℃ 10 sec (b)950 ℃ 5 sec (C)1000 ℃ 5 sec 與微波退火(d)2100 W 1800 sec 處理後，

在 sweep sloop 為+3 -3，再由-3  +3 所量測的磁滯特性。圖中經過 RTA(a)900

℃ 10 sec 的電容 C-V 曲線明顯低於其他的 C-V 曲線，這是因為摻雜的磷離子在 900 ℃ 10 sec 的退火後沒有活化完全。圖中可看到 sweep loop 後的曲線幾乎重 疊在一起，代表 dielectric 內的 defects 少。可得知，H₂O₂溶液成長的化學氧化層 當 High-k/Si 緩衝層且經過 RTA 退火與微波退火，可改善 High-k 材料與矽界面 是存有許多缺陷的缺點。

圖 4.24 為 a-Si/TiN/Al₂O3 /Chemical Oxide/Si 結構 (a) 未經過退火 AlSiCu 與 經過 RTA 退火(b)950℃ 5 sec (C)1000℃ 5 sec 及微波退火(d)2100W 1800 sec 處 理後的 C-V 特性，由圖 4.24 可看到 C-V shift 為 (d)2100W 1800 sec (b)950℃

5 sec (C)1000℃ 5 sec ，與表 4.9 中的平帶電壓(V_fb) 大小是一致的。MOS 電容，

平帶電壓(fland band voltage ，Vfb)與閘極材料功函數及介電層裡的電荷量成正比 關係。所以我們也可以知道 TiN 金屬閘之功函數 shift 的值也是(d)2100W 1800 sec < (b)950 ℃ 5 sec (C)1000 ℃ 5 sec，這代表著經過 RTA 退火處理後 TiN 的功 函數比較會往 midgap 移動。

圖 4.25 分別為 a-Si/TiN/ Al2O3 /Chemical Oxide/Si 結構在(a)經過微波退火 2100 W 1800 sec (b)RTA 退火 950 ℃ 10 sec 後量測不同 Die 的 C-V 作均勻性分 析。圖(a)中可以看到經過微波退火 2100 W 1800 sec 後 C-V 的均勻性是很好的，

而圖(b)中經過 RTA 退火 950 ℃ 10 sec 後的 C-V 的均勻性是不好的，這應該是 微波退火可穿透性相對 RTA 退火由表面熱傳導可以達到均勻性好的退火，且微 波退火是低溫製程可以避免 RTA 退火高溫造成摻雜離子擴散，影響結構的特性 的原因。

表 4.4 與表 4.5 從 accumulation 區電容變化量，可以知道 RTA 退火後等效氧 化厚度(EOT)變化量小於 5Å，而微波退火後的等效氧化厚度(EOT)變化量更少(小 於 4Å )。等效氧化厚度(EOT)的變化量，之前被歸因於氯和 TiN 薄膜起化學反應。

微量的等效氧化厚度(EOT)變化表示我們的結構在金屬閘極與介電層材料 Al2O3

/SiO₂ stack 沒有嚴重的反應。

圖 4.1 AlSiCu /TiN 10 nm/ SiO₂ 電容在通 N₂/H₂的環境下執行 sintering 400^oC 30 min 後與無 sintering 量測的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

AlSiCu/TiN /SiO2

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

TiN(10 nm)

TiN(10 nm) Sinter

圖 4.2 AlSiCu /TiN 15 nm/ SiO₂ 電容在通 N₂/H2的環境下執行 sintering 400^oC 30 min 前後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

TiN(15 nm)

TiN(15 nm) Sinter AlSiCu/TiN /SiO2

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

表 4.1 AlSiCu /TiN 10 nm/ SiO₂ 電容 sintering 前與在通 N₂/H₂的環境下執 行 sintering 400^oC 30 min 後，萃取出來的參數

TiN 10nm AlSiCu (w/o Sinter) AlSiCu (w Sinter)

V _{f b} (V) -0.313 -0.619

EOT (nm) 6.75 7.00

Dit (#/cm²) -2.13×10¹² -7.25×10¹¹

V f b shift (V) NA -0.368

表 4.1 AlSiCu /TiN 15nm/ SiO2 電容在通 N2/H2的環境下執行 sintering 400℃ 30 min 後與 sintering 前，萃取出來的參數

TiN 15nm AlSiCu (w/o Sinter) AlSiCu (w Sinter)

V f b (V) -0.282 -0.646

EOT (nm) 6.90 7.04

Dit (#/cm²) -2.17×10¹² -8.81×10¹¹

V _{f b} shift (V) NA -0.365

圖 4.3 閘電極 TiN 10 nm 的電容在不同條件 RTA 的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

AlSiCu

700

^oC

30 sec 900

^oC

15 sec 1000

^oC

5 sec 1050

^oC

5 sec

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

a-Si/TiN 10 nm/SiO

₂

Imp. P +

圖 4.4 閘電極 TiN 15 nm 的電容在不同條件 RTA 的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Imp. P +

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V) AlSiCu

700

^o

C 30 sec

900

^o

C 15 sec

1000

^o

C 5 sec

1050

^o

C 5 sec

a-Si/TiN 15 nm/SiO

₂

圖 4.6 閘電極 TiN 10 nm 的電容在不同條件 RTA 退火的 I-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

900

^o

C 10 sec 1000

^o

C 5 sec

G a te C u r r e n t (A/ cm

-2

)

Gate Voltage (V)

a-Si/TiN100A/SiO2

Imp. P31

⁺

圖 4.6 閘電極 TiN 15 nm 的電容在不同條件 RTA 退火的 I-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

10

^-11

10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

Imp. P31

⁺

G a te C u r r e n t (A/ cm

-2

)

Gate Voltage (V)

900

^o

C 10 sec

1000

^o

C 5 sec

a-Si/TiN150A/SiO2

表 4.3 TiN 10 nm 與 TiN 15 nm 電容器 EOT 與 RTA 溫度關係

RTA TiN 10 nm TiN 15 nm

Temp. (℃) Time (Sec) EOT(nm) EOT(nm)

Control (no RTA) 6.61 6.69

900 10 6.91 6.87

1000 5 6.98 6.90

-3 -2 -1 0 1 2 3 0

10 20 30 40 50 60

Capacitance (pF)

Gate Voltage (V)

AlSiCu/TiN/SiO

₂

SiO

₂

5 nm Cg SiO

₂

8 nm Cg SiO

2

15 nm Cg

圖 4.7 不同厚度 SiO₂ 的 TiN 閘極電容的 C-V 特性，藉此萃取 TiN 功函數

6 8 10 12 14 16 -0.30

-0.28 -0.26 -0.24 -0.22 -0.20 -0.18

F la tb a n d V o lt a g e (V )

Equivalent Oxide Thickness (nm) Vfb

Y=0.01028X-0.34525

圖 4.8 等效氧化層厚度與平帶電壓關析圖

圖 4.9 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，RTA 後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

AlSiCu

700

^o

C 30 sec 900

^o

C 15 sec 1000

^o

C 5 sec 1050

^o

C 5 sec

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

a-Si/TiN 15 nm/

SiO

₂

/Si Imp. As,

40kev, 10

¹⁵

cm

^-2

圖 4.10 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，700℃ RTA 後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Die 1 Die 2 Die 3

Imp. As ,

40 KeV , 10

¹⁵

cm

^-2

a-Si/TiN/SiO

₂

/Si

700

^o

C 30 sec

圖 4.11 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

, 10

¹⁵

cm

^-2

Control

1400 W 1200 sec+

2800 W 900 sec 2800 W 1200 sec

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

a-Si/TiN/SiO

2

/Si

Imp. As 40 KeV

表 4.4 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，RTA 後萃取的特性

a-Si /TiN 15 nm/Si Imp. As Control 900℃

15 sec

1000℃

5 sec

1050℃

5 sec

V f b (V) -0.274 -0.416 -0.488 -0.551

EOT (nm) 7.20 6.86 7.43 7.02

Dit (#/cm²) -1.48×10¹² -1.31×10¹² -1.06×10¹² -8.36×10¹²

V f b shift (V) NA -0.142 -0.214 -0.277

表 4.5 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火後萃取的特性

a-Si /TiN 15 nm/Si Imp. As Control 2800 W

1200 sec

1400 W 600 sec+

2800 W 900 sec

V f b (V) -0.274 -0.295 -0.311

EOT (nm) 7.20 6.99 6.89

Dit (#/cm²) -1.48×10¹² -1.76×10¹² -1.79×10¹²

V f b shift (V) NA -0.021 -0.037

-3 -2 -1 0 1 2 3 10

^-12

10

^-11

10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

1400 W 1200 sec+

2800 W 900 sec 1050

^o

C 5sec 900

^o

C 15 sec

G a te C u r r e n t (A/ cm

-2

)

Gate Voltage (V) Imp. As

a-Si/TiN/SiO

2

/Si

圖 4.12 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火與 RTA 退火後的 I-V 特性比較

圖 4.26 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，RTA 與微波退火後的 XRD spectra

30 40 50 60 70 80

0 500 1000 1500 2000

Imp. As

⁺

In te n si ty (a .u .)

2 Theta(degrees) TiN as Imp.

2800 W 1200 sec 900

^oC

15 sec 1000

^oC

5 sec 1050

^oC

5 sec (111)

(200) (220)

(311) (220)

(400) (311)

(331) TiN

Si

圖 4.13 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，RTA 後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V) AlSiCu

900

^o

C 15 sec 950

^o

C 10 sec 1000

^o

C 5 sec a-Si/TiN/SiO

2

/Si

Imp. P

表 4.6 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，RTA 退火後萃取的參數

a-Si /TiN 15 nm/Si Imp. P 900℃

15 sec

950℃

10 sec

1000℃

5 sec

V f b (V) -0.349 -0.797 -0.439

EOT (nm) 7.72 6.28 7.71

Dit (#/cm²) -1.44×10¹² -2.73×10¹¹ -1.35×10¹¹

圖 4.14 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火後的 C-V 特性比較

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V) AlSiCu

2800 W 600 sec 2100 W 1800 sec 2100 W 1200 sec

Imp. P

a-Si/TiN/SiO

₂

/Si

表 4.7 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火後萃取的參數

a-Si /TiN 15 nm/Si Imp. P 2800 W

600 sec

2100 W 1800 sec

2100 W 1200 sec

V f b (V) -0.399 -0.358 -0.349

EOT (nm) 7.46 7.34 7.71

Dit (#/cm²) -1.44×10¹² -1.62×10¹² -1.69×10¹²

(a)

(b)

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die 1 Die 2

700^oC 30 sec a-Si/TiN/SiO₂ P⁺

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die 1 Die 2 Die 3

a-Si/TiN/SiO₂ P⁺

900^oC 10 sec

(c)

(d)

圖 4.15 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，RTA 後的 C-V 特性均勻性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die 1 Die 2 Die 3

1000^oC 5 sec a-Si/TiN/SiO₂ P⁺

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die 1 Die 2 Die 3

1050 ^oC 5 sec a-Si/TiN/SiO₂ Imp. P⁺

(a)

(b)

圖 4.16 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，微波退火後的 C-V 特性均勻性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Imp. P 25 KeV 2100 W 1200 sec Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die 1 Die 2 Die 3 Die 4

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Die 1 Die 2 Die 3 Die 4

Imp. P 25KeV 2100 W 1800 sec

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

圖 4.17 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，微波退火與 RTA 退火後的 I-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

10

^-11

10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

G a te C u r r e n t (A/ cm

-2

)

Gate Voltage (V)

900

^o

C 15 sec 2100 W 1200 sec a-Si/TiN 15 nm/SiO

2

/Si

Imp. P

圖 4. 28 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，RTA 後的 XRD spectra

30 40 50 60 70 80

0 100 200 300 400 500

600 TiN

as-Implant 900

^o

C 15 sec 950

^o

C 10 sec 1000

^o

C 5 sec

2 Theta(degrees)

(220)

Imp. P

⁺

In te n si ty (a .u .)

(111) (200)

(220)

(311) (222) TiN

(111)

(200) Si

圖 4. 29 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO₂/Si 電容結構，微波退火後的 XRD spectra

30 40 50 60 70 80

0 100 200 300 400 500 600

In te n si ty (a .u .)

2 Theta(degrees) TiN

as-Implant

2100 W 1200 sec 2100 W 1800 sec Imp. P

⁺

(111) (200)

(111)

TiN Si

(200) (220)

(220) (311)

(222)

圖 4.18 AlSiCu/TiN15 nm/Al₂O₃/Chemical Oxide/Si 電容磁滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

TiN15 nm/Al

₂

O

₃

/H

₂

O

₂

hysteresis

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

Forward

Reverse

圖 4.19 AlSiCu/TiN 15 nm/Al₂O₃ /Si 電容磁滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

TiN10 nm/Al

₂

O

₃

/H

₂

O

₂

hysteresis

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

Forward

Reverse

圖 4.20 AlSiCu/TiN10 nm/Al₂O₃/Chemical Oxide/Si 電容磁滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

TiN15

nm

/Al

₂

O

₃

hysteresis

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

Forward

Reverse

圖 4.21 AlSiCu/TiN 10 nm /Al₂O₃/ Si 電容磁滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

TiN100/Al

₂

O

₃

hysteresis

C a p a c it a n c e (



F /c m

2

)

Gate Voltage (V)

Forward

Reverse

圖 4.22 (a) AlSiCu/TiN 15 nm/Al₂O₃/ Si (b) AlSiCu/TiN 15 nm/Al₂O₃/ Chemical Oxide/Si (c) AlSiCu/TiN 10 nm/Al₂O₃/Si (d) AlSiCu/

TiN 10 nm/Al₂O₃/Chemical Oxide/Si 電容結構之單位面積的漏 電流對閘電壓關係圖

-3 -2 -1 0 1 2 3

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

10

¹

G a te C u r r e n t (A/ cm

-2

)

Gate Voltage (V)

AlSiCu/TiN15 nm / Al

2

O

3

AlSiCu/TiN15 nm / Al

₂

O

₃

/H

₂

O

₂

AlSiCu/TiN10 nm / Al

2

O

3

AlSiCu/TiN10 nm / Al

2

O

3

/H

2

O

2

(a)

(b)

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

a-Si/TiN15 nm/Al

2O

3/SiO

2 hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Forward

Reverse 900^oC 10 sec

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

950^oC 5 sec

a-Si/TiN15 nm/Al

2O

3/SiO

2 hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Forward

Reverse

(c)

(d)

圖 4.23 a-Si/TiN/ Al₂O3/Chemical Oxide/Si 電容結構經 (a)900℃10 sec (b)950

℃ 5 sec (c)1000℃ 5 sec (d)2100 W 1800 sec 退火後的 C-V 磁滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

a-Si/TiN15 nm/Al

2O

3/SiO

2 hysteresis

1000^oC 5sec Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Forward

Reverse

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

a-Si/TiN15 nm/Al

2O

3/SiO

2 hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Forward

Reverse 2100W 1800sec

圖 4.24 a-Si/TiN/ Al₂O₃/Chemical Oxide/Si 經過 RTA 退火及微波退火後的 C-V 特性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

a-Si/TiN /Al

₂

O

₃

/SiO

₂

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

AlSiCu

2100W 1800sec 950^oC 5 sec 1000^oC 5 sec

P ,25KeV,10

¹⁵

(a)

(b)

圖 4.25 a-Si/TiN/ Al₂O3/Chemical Oxide/Si 經過(a)RTA 及(b)微波退火後的 C-V 曲線均勻性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

P ,25KeV

a-Si/TiN150/Al₂O₃/H₂O₂

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Site 1 Site 2 Site 3

2100W 1800sec

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) 950 5sec

a-Si/TiN150/Al₂O₃/H₂O₂ Site 1 Site 2 Site 3

P ,25KeV

表 4.9 a-Si/TiN/ Al2O3/Chemical Oxide/Si 經過 RTA 及微波退火後由 C-V 萃 取的參數

a-Si /TiN 15 nm/Al₂O₃ 10 nm/SiO₂ /Si Imp. P Control 2100 W

1800 sec

950 ℃ 5 sec

1000 ℃ 5 sec

V f b (V) 0.177 0.262 0.299 0.614

EOT (nm) 4.58 4.97 5.35 5.34

Dit (#/cm²) -5.17×10¹² -4.95×10¹² -4.72×10¹² -6.02×10¹²

V _{f b} shift (V) 0.090 0.122 0.437

-3 -2 -1 0 1 2 3 10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

10

^-5

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

a-Si/TiN15 nm/Al

2

O

3

/H

2

O

2

G a te C u r r e n t ( A/ cm -2 )

Gate Voltage (V)

2100 W 1800 sec 950 C 5 sec

P,25 KeV,10

¹⁵

cm -2

圖 4. 26 a-Si/TiN/ Al2O3/Chemical Oxide/Si 經過 RTA 及微波退火後的 I-V 曲線

在文檔中 原子層沉積氮化鈦閘極金氧半元件微波退火特 性研究 (頁 76-117)