第四章 結果與討論
4.2 TiN 金屬閘極搭配 SiO 2 介電層金氧半元件特性之研究
由 4.1 實驗結果可以得知 TiN 15 nm 電容結構的熱穩定性較 TiN 10 nm 電容 結構特性較好。本節探討 WMA 與 RTA 對 a-Si/TiN 15 nm /SiO2電容結構的電子 特性探討。
4.2.1 TiN 功函數之萃取
圖 4.4 為厚度 6.5 nm、12 nm、與 15 nm SiO2 的 TiN 閘極電容的 C-V 特性 曲線，與圖 4.59 等效氧化層厚度(EOT)對平帶電壓(Vf b)關係圖。
利用以下的關係萃取出 TiN 功函數，
Vf b：平帶電壓，使半導體能帶回復水平所需外加偏壓值
Φm：金屬閘極之功函數 Φs：半導體之功函數
Q ot ：Oxide Trapped Charge Q f ：Fixed Oxide Charge Q m：Mobile Ionic Charge C ox：氧化層之電容值 可得知功函數ΦTiN =5.15 eV
4.2.2 摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO
2/Si 電容結構在不同 RTA 與微 波退火下的電性影響
圖 4.9 為摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構未退火與經 RTA 退火 700℃
30sec、900℃ 15sec、1000℃ 5sec、1050℃ 5sec 的 C-V 曲線，高頻 C-V 曲線是利 用頻率為 100 KHz 的量測系統量。由圖 4.10，可知摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電 容結構，經 RTA 退火 700℃ 30sec 後，並未活化完全。表 4.4 的平帶電壓，等效 氧化層厚度 (EOT) 與界面缺陷(Interfacial traps)密度是考慮量子效應的模擬程式 萃取出的。MOS 電容，平帶電壓(fland band voltage ， Vf b)與閘極材料功函數及 介電層裡的電荷量成正比關係。由圖 4.9 可以看出電容經過退火後隨著 RTA 溫度 增加，C-V 曲線負 shift 的現象更明顯。由表 4.4 中得知經過 RTA 退火後，隨著 RTA 的溫度增加，平帶電壓從未退火的-0.274V shift 到 -0.416V、-0.488V 和 -0.551 ，也表示隨著退火溫度遞增，TiN 功函數遞減。
圖 4.11 為摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構未退火與經微波退火 2100W 1200sec + 2800W 900sec、2800W 1200W 的 C-V 曲線。可以得知微波 RTA 後 2100W 1200sec + 2800W 900sec、2800W 1200W ，C-V 曲線會偏移(Shift)，不同 微波退火的條件，偏移(Shift)的程度都差不多。由表 4.5 中的平帶電壓參數，平
帶電壓從未退火的-0.274 V 偏移(Shift)到 -0.2.95 V、-0.3.11 V 與 C-V 曲線有一致 的結果。這樣的結果代表，TiN 經過經微波退火，功函數的遞減情形也有改善。
由表 4.4 與表 4.5 中界面缺陷(Interfacial traps)的密度，可以知道此結構在 SiO2與 Si 介面有不錯的特性。表 4.4 與表 4.5 從累增區(accumulation)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 3Å ，而微波退火後的等效氧化 厚度(EOT)變化量更少(小於 2Å )。等效氧化厚度(EOT)的變化量，歸因於 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 電層材料沒有嚴重的反應。
圖 4.12 為摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火與 RTA 退火後 的 I-V 特性曲線圖。RTA 退火與微波退火後，電容的電流都有明顯增加，由表 4.5，因為退火期間等效氧化層厚度 (EOT)的減少能障(Barrier High )降低的原 因。
4.2.3 摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO
2/Si 電容結構在不同 RTA 與微 波退火下的電性影響
圖 4.13 為摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，經過 RTA 900℃ 15sec、
950℃ 10 sec 與 1000℃ sec 退火後的 C-V 特性。C-V 曲線會明顯往負方向偏移 (shift)，而 950℃ 10 sec RTA 後，shift 更是明顯這很有可能因為 RTA 退火的溫度 與時間過長，造成磷離子擴散減低了 C-V 特性。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。從表 4.6 平帶 電壓(fland band voltage) 在 RTA 退火後，從-0.274 V 降低到-0.349 V、-0.439 V 與 -0.797 V，可知道 TiN 閘極功函數在 RTA 退火後有明顯下降。由圖 4.15 可知 RTA 退火後，a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構 C-V 特性均勻性是不好的。
圖 4.13 為摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，經過微波退火 2800 W 600
sec、2100 W 1800 sec 與 2100 W 1200 sec 後的 C-V 特性。在微波退火，不論微波 退火條件如何，C-V 曲線 shift 的值是差不多的。從表 4.7 平帶電壓(fland band voltage) 在 RTA 退火後，從-0.274V 降低到-0.349 V、-0.358 V 與-0.399 V，
可知道在微波退火後 TiN 閘極功函數下降的值是差不多的，這是由於微波退火 機制是穿透性靠震動去活化且活化溫度在 400℃~500℃，可以改善改善 RTA 退 火離子擴散與不均勻的問題。從圖 4.16 也可以知道微波退火後 C-V 特性是非常 均勻的。
圖 4.17 為摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，微波退火與 RTA 退火後的 I-V 特性。RTA 退火與微波 退火後，電容 的電流都有明顯增加。摻閘砷的 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構活化所需的能量大於摻閘磷離子的結構所需的熱預算，
我們希望熱預算降低，減少熱對結構、元件影響。
4.2.4 a-Si/TiN/SiO
2/Si 電容結構在不同 RTA 與微波退火下的 物理特性影響
圖 4.27 顯示摻雜砷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結構，RTA 退火與微波退火後 的 XRD spectra。文獻[2.3]指出 TiN 的結構改變或在 TiN/SiO2介面的結晶方向 (localized crystalline orientation) 變化，可能會導致功函數的改變。XRD 分析是分 析材料結晶化程度非常好的儀器。從圖中可以看出 TiN 薄膜在打離子佈植(Ion implant)後會出現非結晶(amorphous)的現象，這是施打離子佈植時候造成 TiN 薄 膜的損傷，在微波退火與 RTA 退火後會修補 TiN 薄膜損傷，非結晶(amorphous) 的現象也會在退火後減少。從 ALD-TiN 的 XRD 圖，顯示 TiN/SiO2 的結晶方向 (crystalline orientation) 高 峰 (peak) 值 幾 乎 沒 有 變 化 ， 且 結 晶 方 向 (crystalline orientation)也沒有偏移，這表示在微波退火與 RTA 退火此結構後沒有內部反應 (inter-reaction) 產生。圖 4.28 與圖 4.29 顯示摻雜磷離子 a-Si/TiN/SiO2/Si 電容結 構，RTA 退火與微波退火後的 XRD spectra。跟圖 4.27 比較，可以看出摻雜磷離
子的結構在微波退火與 RTA 退火後 crystalline orientation 的高峰(peak)值小了許 多，而微波退火後的高峰(peak)值又比 RTA 退火後的值小，可以看出摻雜磷離子 的結構，在微波退火與 RTA 退火後，明顯得到減緩結晶的特性。