圖4-7(a)和(b)分別為以 20nm TaPt1 做為阻擋層之電容經過 650℃和 700
℃退火後，使用 2-2 節中所述方法量測所得之結果。650℃退火條件下的電 容，在經過30 分鐘溫度為 200℃，電場為+2MV/cm的應力量測後，其平帶 電壓向左平移了 0.71 伏特，相當於有 2.55×1011cm-2的移動性離子在閘極氧 化層中移動。有趣的是，再繼續施予30 分鐘溫度為 200℃，電場為+2MV/cm 的應力量測，其電容-電壓曲線會和只做 30 分鐘應力的曲線重疊，這意味著 這些移動性離子的數量是有限的，在第一次30 分鐘的應力時就已經都被電 場驅趕到靠近氧化層和矽基板的界面，所以再施加的應力量測就不會再造
成離子移動而使得平帶電壓繼續右移。若是此平帶電壓左移之現象是來自 於閘極銅擴散的現象，電容-電壓曲線應該會隨著應力時間增加，擴散進閘 極氧化層的銅離子增加而右移，而非上述我們所觀察到的現象，因此可以 斷定此現象並不是由於銅擴散，而應該是製程上造成閘極氧化層中含有移 動性離子，才使得平帶電壓會往負電壓的方向移動。最後經過30 分鐘溫度 為 200℃，電場為-2MV/cm的應力後，電容-電壓曲線會和最原始的曲線重 疊，由此可推測這些移動性離子一開始的位置應該非常地靠近金屬閘極和 氧化層的界面，才會在做完負電場的應力量測後，只回到原始的曲線而沒 有更往正的方向移動。由這些移動性離子的位置，我們推斷應該是濺鍍金 屬閘極時在氧化層表面造成了汙染，才會導致在應力量測時，即使銅沒有 擴散還是有平帶電壓移動的現象。700℃退火條件下的電容經過 30 分鐘 +2MV/cm應力的量測後，平帶電壓大幅移動了 5.65 伏特，再經過 30 分鐘 的應力，電容就會因為故障而量測不到電容-電壓曲線。
以20nm TaPt2 為阻擋層的電容的量測結果和 TaPt1 條件下的非常相似，
圖 4-8(a)和(b)分別是做過 30 分鐘 650℃和 700℃退火的電容做偏壓-熱應力 的量測結果：650℃退火的電容其平帶電壓在經過 30 分鐘+2MV/cm 應力後 向左平移了 0.97 伏特，但再經過 30 分鐘就沒有看到平帶電壓的變化；700
℃退火的電容經過 30 分鐘+2MV/cm 應力後，其平帶電壓右移 2.66 伏特，
再經過30 分鐘就因為電容故障而量測不到曲線。綜合偏壓-熱應力量測和前 兩個小節的基本電性量測，我們可以發現到以鉭鉑合金作為擴散阻擋層的 銅閘極電容，雖然基本電性到700℃退火的樣品都是正常的，但是在做應力 量測時，700℃退火的樣品會故障，能維持正常的特性之條件下修到 650℃。
由於以20nm Ta 為阻擋層的電容到 650℃退火的條件下就會發生異常，
因此對應力量測我們只探討到 600℃退火的情況(圖 4-9)。其平帶電壓左移 了 1.72 伏特，雖然顯示其移動性離子的數量較高，但就應力量測過程相對
應的平帶電壓移動情形看來，也並不是銅擴散所造成，因此考慮前兩個小 節和這邊的結果看來，阻擋層為 20nm 鉭的電容在經過 30 分鐘 600℃退火 後，無論是基本電性還是可靠度都還是正常的。最後，我們將偏壓-熱應力 量測時平帶電壓的位移量整理於圖4-10 中，位移量為在 200℃經過 30 分鐘 +2MV/cm 的電場應力平帶電壓和初始值之差值。
圖 4-11~圖 4-13 是為擴散阻擋層厚度減薄至 5nm 時應力量測的結果，
同時我們將做偏壓-熱應力量測時平帶電壓的位移量整理於圖 4-14 中。圖 4-11 是以 TaPt1 做阻擋層的電容在經過 650℃退火後施予偏壓-熱應力後所 得量測電容-電壓曲線，可觀察到曲線並沒有平移的現象。而以 TaPt2 為阻 擋層的電容，經過 600℃及 650℃退火後的應力量測結果分別為圖 4-12(a) 和(b)，600℃退火的電容經應力量測後，其平帶電壓稍微左移了 0.25 伏特，
由上面的敘述我們可以推斷這不是銅擴散所導致。而650℃退火的電容做完 應力量測後，由電容-電壓曲線我們觀察到在空乏區的曲線斜率變得較緩，
而在積聚區的電容值也稍微地下降，雖然說整個應力量測過程中沒有發生 因為銅擴散的情形而導致平帶電壓大幅移動或是電容故障，但是卻有因為 應力而導致界面缺陷變多，高溫使得表面氧化電容串聯電阻增大的問題。
至於圖4-13 則是 5nm 鉭阻擋層在 600℃退火後偏壓-熱應力的量測結果，可 以發現所量測到的曲線趨勢和上述現象不符，只呈現小幅度沒有規則性的 位移，推測是在點針時，上層鉭破裂，導致高溫量測時點針處氧化，於是 隔絕掉了應力量測時的電場作用，因此看到的只剩高溫下離子些微擾動產 生平帶電壓小幅無規則的移動現象，並且在積聚區的電容之也因為氧化的 作用而看到電容值下降的串聯電阻效應。
在本章中，我們利用量測的電容-電壓曲線計算出平帶電壓，以及量測 可用來判斷閘極氧化層品質優劣的崩潰電壓，來對電容基本特性做探討。
在阻擋層為 20nm 的條件下，TaPt1、TaPt2 直到 700℃退火 30 分鐘後，其 基本電性仍能維持正常，然而對照組 Ta 在 650 退火 30 分鐘就開始發生漏 電流過大的情形。當阻擋層減薄為 5nm 時，以 TaPt1 和 TaPt2 為阻擋層的 電容，崩潰電壓因為銅擴散至閘極氧化層中而開始下降並且變異程度加 大，而以 Ta 為阻擋層的電容在 600℃退火後因為銅些微擴散而造成平帶電 壓位移加大，表面也因為氧化而導致串聯電阻增加，使得積聚區電容值變 小。接著我們利用偏壓-熱應力量測來觀察阻擋層在應力下的阻擋能力，阻 擋層為 20nm 時，以 TaPt1 和 TaPt2 做擴散阻擋層之電容在經過 650℃退火 後應力量測結果仍是正常，但在經過700℃退火後應力量測時會故障。當阻 擋層為5nm 時，以 TaPt1 和 TaPt2 做擴散阻擋層之電容，在經過 650℃退火 後應力量測結果同樣是正常的，這和我們利用穿透式電子顯微鏡看到的結 果一致，圖 4-15 是以 5nm TaPt1 做阻擋層的銅電容，經過 650℃退火後，
利用穿透式電子顯微鏡(TEM)所拍攝的剖面圖，由圖 4-15(b)可以清楚地看 見銅和介電層中間的擴散阻擋層依然很平整，而銅閘極上層的擴散阻擋層 雖然因為銅晶粒不平整而有起伏的現象，但是仍然沒有觀察到有破裂的情 形產生。然而，以5nm Ta 為阻擋層的電容在 600℃退火後，表面就會因為 應力量測時產生氧化而隔絕了電場的作用，導致應力量測結果發生異常，
綜合上述的電性量測結果，以鉭鉑合金做阻擋層，不管是TaPt1 還是 TaPt2，
考慮偏壓-熱應力的結果，無論厚度是 20nm 或 5nm，到 650℃退火後仍能維 持正常。然而以20nm Ta 為阻擋層，在 650℃退火後有一部份電容就會開始 因為漏電流過大而發生異常，因此在鉭中間掺雜一些鉑，的確可以改善對 銅的擴散阻擋能力。
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
Gate Voltage(V)
400oC/30min
Gate voltage(V)
400oC/30min
Gate Voltage(V)
400oC/30min
as_deposited 400 500 600 700
Flat band voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(a)
as_deposited 400 500 600 700
-6
Flat band voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(b)
as_deposited 400 500 600
-6
Flat band voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(c)
圖4-2 擴散阻擋層為 20nm (a)TaPt1，(b)TaPt2 和(c)Ta 的銅閘極電容經過不 同退火溫度後之平帶電壓。
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
Gate Voltage(V)
400oC/30min
Gate Voltage(V)
400oC/30min
Gate voltage(V)
as-deposited 400oC/30min
as_deposited 400 500 600 650 700
Flat band voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(a)
as_deposited 400 500 600 650 700
-4.0
Flat band voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(b)
as_deposited 400 500 600
-4.0
Flatband voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(c)
圖4-4 擴散阻擋層為 5nm (a)TaPt1，(b)TaPt2 和(c)Ta 的銅閘極電容經過不 同退火溫度後之平帶電壓。
400 500 600 700
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(a)
400 500 600 700
0
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(b)
400 500 600 650
0
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(c)
圖4-5 擴散阻擋層為 20nm (a)TaPt1，(b)TaPt2 和(c)Ta 的銅閘極電容經過不 同退火溫度後之崩潰電壓。
400 500 600 650 700
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(a)
400 500 600 650 700
0
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(b)
as-deposited 400 500 600
0
Brekdown voltage(V)
Annealing temperature(oC)
(c)
圖4-6 擴散阻擋層為 5nm (a)TaPt1，(b)TaPt2 和(c)Ta 的銅閘極電容經過不 同退火溫度後之崩潰電壓。
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
(a)
Gate Voltage(V) Before stress
After 30min positive stress
(b)
圖4-7 阻擋層為 20nm TaPt1 之電容經過(a)650℃和(b)700℃退火後偏壓-熱 應力量測結果。
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
(a)
Gate Voltage(V) Before stress
After 30min positive stress
(b)
圖4-8 阻擋層為 20nm TaPt2 之電容經過(a)650℃和(b)700℃退火後偏壓-熱 應力量測結果。
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
圖4-9 阻擋層為 20nm Ta 之電容經過 600℃退火後偏壓-熱應力量測結果。
400 600 650 700
-6
Flat-band voltage shift(V)
Annealing temperature(oC)
圖4-10 以 20nm (a)TaPt1，(b)TaPt2，(c)Ta 為擴散阻擋層之電容，經過不 同溫度退火後，偏壓-熱應力量測時，初始值和經過 30 分鐘+2MV/cm 應力 後之平帶電壓位移量。
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
圖4-11 阻擋層為 5nm TaPt1 之電容經過 650℃退火後偏壓-熱應力量測結果。
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
(a)
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
(b)
圖4-12 阻擋層為 5nm TaPt2 之電容經過(a)600℃和(b)650℃退火後應力量測結果。
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
Gate Voltage(V) Before stress After 30min positive stress After 60min positive stress After 30min negative stress
圖4-13 阻擋層為 5nm Ta 之電容經過 600℃退火後偏壓-熱應力量測結果。
400 600 650
-3.0
flat-band voltage shift(V)
Annealing temperature(oC)
圖4-14 以 5nm (a)TaPt1，(b)TaPt2，(c)Ta 為擴散阻擋層之電容，經過不同 溫度退火後，偏壓-熱應力量測時平帶電壓之位移量。
(a)
(b) (c)
圖4-15 以 5nm TaPt1 為擴散阻擋層的銅閘極電容之(a)剖面結構(b)下層阻 擋層情形 (c)上層阻擋層情形。