將不同退火條件下薄膜電晶體的汲極電流-閘極電壓曲線整理於圖 5-4 中，發現在經過退火後，電流-電壓曲線會往正電壓的方向移動，我們可以 由臨界電壓來觀察其趨勢：沒有經過退火的電晶體，臨界電壓為1.30 伏特，
經過400℃退火後，臨界電壓移動到 3.77 伏特，而 500~650℃退火後的臨界 電壓則集中在 5.5~6 伏特之間，而且次臨界擺幅也從沒有經過退火時的 622mV/dec，到 400℃退火後增加到 752mV/dec，最後在 500~650℃退火後 集中在 850mV/dec 左右。臨界電壓往正電壓方向移動相當於在退火過程中 在閘極氧化層內有負電荷生成(或是正電荷消失)，次臨界擺幅的增加則代表 著界面缺陷(interface state)或是懸鍵(dangling bond)的數量增加，由於懸鍵可 以和電漿處理的氫鍵結合而消除，因此退火後次臨界擺幅的增加推測是由 於界面無法以電漿處理消除的缺陷增加之故。經過退火處理後，薄膜電晶 體在界面產生了缺陷，而在閘極氧化層中也有負電荷生成，但是由萃取出 的參數我們發現這個現象在500℃退火後就開始趨於飽和。
為了探討這個有趣的現象，我們利用一個沒有經過退火處理的薄膜電 晶體依序經過 30 分鐘 400℃和 500℃的退火，在每一次退火後，記錄其汲 極電流-閘極電壓特性於圖 5-5 中，為了方便比較，我們同時將 5-1 節中先 經過退火再做電漿處理之元件特性加入圖 5-5，並將其參數整理於表 5-3 中。可以發現隨著退火溫度的增加，曲線也有往正電壓方向移動的趨勢(臨 界電壓在400℃退火後由 1.30 伏特右移為 2.81 伏特，500℃退火後則又右移 為6.70 伏特)，因此我們推測是由於爐管退火過程中鉭鉑合金和氧化層產生 了Ta-O 帶負電的鍵結，使曲線往正電壓方向移動，而雖然懸鍵已被氫鍵所 修補，但是界面額外因為退火產生的缺陷使得次臨界擺幅看起來並沒有改 善。此外，由表5-3 我們還可以觀察到，與 5-1 節中先經過退火再做電漿處 理的元件相比，在400℃退火後，先做完電漿處理再退火的元件特性較好，
但在500℃退火後，先做完電漿處理的元件就變得比較差，推測是電漿處理 後的氫鍵在依序經過退火後已經脫離，再加上依序退火的過程讓元件增加 許多缺陷，才導致次臨界擺幅增加，電子遷移率降低，較先退火再經過電 漿處理的元件有更嚴重的劣化現象。
綜合電漿處理前後以及不同退火條件下薄膜電晶體的量測結果，推測缺 陷應該來自兩個部份，一部份是元件製程中所產生的，例如通道中懸鍵的 生成，這些可以由電漿處理所修補，而另一部份則是退火過程中界面反應 導致界面缺陷和閘極氧化層中帶負電的鍵結產生，這個因素導致電流-電壓 曲線右移，次臨界擺幅無法因為處理而改善，而這個現象到500℃退火後就 會趨於飽和。
本章中我們使用 20nm 的 TaPt1 做為薄膜電晶體中銅閘極的擴散阻擋 層，在經過 650℃30 分鐘的熱處理後，雖然因為熱應力產生了一些缺陷，
但卻沒有發現銅擴散而導致元件故障的跡象，可見得鉭鉑合金阻擋層除了 應用在銅導線製程之外，在薄膜電晶體方面也可以有效地阻擋銅的擴散。
(a)
(b)
圖 5-1 (a) 穿 透 式 顯 微 鏡 下 銅 閘 極 薄 膜 電 晶 體 的 剖 面 結 構 圖 (b) 閘 極
表5-1 經過NH3電漿處理後，薄膜電晶體各項參數之整理。
No 400 /30min℃ 500 /30min℃ 600 /30min℃ 650 /30min℃
VTH_lin(V) 1.30 3.77 5.53 5.69 6.12
VTH_sat(V) 1.22 3.62 5.25 5.41 5.75
S.S.
(mV/dec) [VD=0.5V]
622 752 869 897 824
Mobility
(cm2/V．s) 22.28 18.57 18.57 18.24 25.99 Ion/Ioff
[VD=5V] 5.51×106 1.44×108 1.18×108 4.47×107 5.59×107 Defect
density (cm-2)
3.35×1012 5.22×1012 6.83×1012 7.02×1012 7.45×1012
表5-2 NH3電漿處理前薄膜電晶體各項參數之整理。
No 400 /30min℃ 500 /30min℃ 650 /30min℃
VTH_lin(V) 4.18 3.87 7.23 6.91
VTH_sat(V) 4.33 3.71 6.72 6.51
S.S.
(mV/dec) [VD=0.5V]
869 743 839 822
Mobility
(cm2/V．s) 14.85 18.57 14.85 10.77 Ion/Ioff
[VD=5V] 1.75×106 4.33×107 8.61×107 2.32×107 Defect
density (cm-2)
6.64×1012 5.26×1012 8.81×1012 8.40×1012
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Before plasma treatment After plasma treatment ID(A)
(a) No annealing
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Before plasma treatment After plasma treatment ID(A)
(b) 400℃/30min
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Before plasma treatment After plasma treatment ID(A)
(c) 500℃/30min
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Before plasma treatment After plasma treatment ID(A)
(d) 600℃/30min
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Before plasma treatment After plasma treatment ID(A)
(e) 650℃/30min
圖 5-2 經過不同退火條件後銅閘極薄膜電晶體的汲極電流-閘極電壓關係 圖，插圖為電漿處理前後之比較(在VD=5V條件下)。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
(a) No annealing
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
(b) 400℃/30min
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
(c) 500℃/30min
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
(d) 600℃/30min
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
(e) 650℃/30min
圖5-3 經過不同退火條件後銅閘極薄膜電晶體的汲極電流-汲極電壓關係 圖。
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10-12
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 V
D=0.5V
No annealing 400oC/30min 500oC/30min 600oC/30min 650oC/30min ID(A)
VG(V)
圖5-4 不同退火條件下的汲極電流-閘極電壓關係圖。
表 5-3 同一個元件，依序經過沒有退火，400℃退火 30 分鐘，500℃退火 30 分鐘後各項參數之整理。(After:做完電漿處理再退火；Before:先退火完 再做電漿處理)
400 /30min℃ [Before]
400 /30min℃ [After]
500 /30min℃ [Before]
500 /30min℃ [After]
VTH_lin(V) 3.77 2.81 5.53 6.71
VTH_sat(V) 3.62 2.65 5.25 6.21
S.S.
(mV/dec) [VD=0.5V]
752 652 869 914
Mobility
(cm2/V．s) 18.57 22.28 18.57 11.14 Ion/Ioff
[VD=5V] 1.75×106 4.33×107 8.61×107 2.32×107
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10-12
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4
No annealing 400oC/30min-after 500oC/30min-after 400oC/30min-before 500oC/30min-before VD=0.5V
ID(A)
VG(V)
圖 5-5 同一個元件，依序經過沒有退火，400℃退火 30 分鐘，500℃退火 30 分鐘後之汲極電流-閘極電壓關係圖。(After:做完電漿處理再退火；Before:
先退火完再做電漿處理)