不同界面層材料對高介電常數元件的基本特性及可靠度之影響

元件基本電性方面，圖2-3 及圖 2-4 分別為輸出特性曲線及轉換 電導(Transconductance)的比較結果。結果顯示兩種元件的次臨界斜率 及閘極控制能力是相近的。另外可觀察到界面層材料使用氮氧化矽的 元件，其臨界電壓比使用二氧化矽的元件還要大。原因在於氮氧化矽 的使用會使介電層裡的正固定電荷變多，使得元件需要更大的負閘極 電壓才能導通。圖 2-5 則顯示使用氮氧化矽界面層具有較小的閘極漏 電流。圖2-6 為兩種元件的汲極電流對汲極電壓特性比較圖，結果顯 示兩種元件在固定閘極電壓下得到相近的飽和電流。另外圖 2-7 則是 利用電荷幫浦方法量測得電荷幫浦電流與脈衝底端電壓特性曲線 圖。圖中可以發現使用二氧化矽做界面層的元件，其電荷幫浦電流比 使用氮氧化矽做界面層的元件還小。由式子(6)可知，電荷幫浦電流 愈小代表介面陷阱電荷數量越少。如下式：

f qA N Icp

G

it = ………....(6) 其中 為界面陷阱電荷數量， 為電荷幫浦電流，q為基本電荷，

為元件閘極面積， 為頻率。

N

I

A

f

圖2-8 則為兩者的電容-電壓曲線比較圖。我們利用元件反轉時 電容值萃取等效氧化層厚度。結果顯示製作界面層材料為二氧化矽的 元件，其等效氧化層電荷比使用氮氧化矽的元件還薄。其原因可能為

層的元件其漂移率比使用二氧化矽界面層元件來的高。可能原因為界 面層二氧化矽實際厚度較薄，使得介於高介電常數薄膜及矽通道的距 離減少，增加了電荷在這距離之間傳輸的機會，導致漂移率下降[13]。

在負偏壓溫度不穩定性實驗結果方面，圖2-10~2-15 結果顯示元 件臨界電壓的漂移與強迫退化實驗的電壓及時間的關連性。而在圖 2-16~2-21 為固定強迫電壓下，元件的電荷幫浦電流隨強迫時間變化 而變大，這樣的結果代表隨著強迫退化實驗時間的增加，界面缺陷數 量也跟著增加。

關於負偏壓溫度不穩定性在不同界面層材料的差異可藉由圖 2-22 以及圖 2-23 觀察發現在相同強迫電壓下具有氮氧化矽為界面層 的元件，其受到負偏壓溫度不穩定性的劣化影響較小。對於這樣的結 果，我們認為有兩種可能的原因存在。其一為使用氮氧化矽作為元件 界面層其可有效的抵擋電洞陷入於高介電常數薄膜中。其二為二氧化 矽界面層實際厚度僅為氮氧化矽厚度的一半，故在相同強迫電壓下二 氧化矽受到更多的電壓影響。至於強迫實驗中介面缺陷數量的改變與 強迫退化時間結果如圖 2-24 及圖 2-25。介面缺陷數量的改變量與強 迫時間為冪次關係，符合式子（3），代表介面缺陷數量的產生機制可 用矽表面之斷鍵反應 – 氫粒子漂移模型來解釋。

2.2.1.1 結論

堆疊式介電層在高介電常數閘極電晶體的使用可有效的提升介 面品質，進而提升元件電特性[10]。我們發現使用二氧化矽結合氮氧 矽化鉿介電層元件比使用氮氧化矽與氮氧矽化鉿介電層元件具有較 低的介面陷阱電荷、較薄的等效氧化層電荷，但其受到負偏壓溫度不 穩定性的劣化較為嚴重。而氮氧化矽與氮氧矽化鉿介電層元件有較低 的閘極漏電流，較高的漂移率及較小的負偏壓溫度不穩定性影響。

2.2.2 不同高介電常數材料對元件基本特性及可靠度之影響