TiN 金屬閘極之 N -rich 退火前後的電性變化

第四章結果與討論

4.2 TiN 金屬閘極之 Ti-rich 和 N-rich 對金氧半元件(MOS-C)特性之研究

4.2.3 TiN 金屬閘極之 N -rich 退火前後的電性變化

圖 4.20 為氰氣及氮氣流量比 1 比 2 的 TiN (PVD) / SiO₂/ Sub. 電容結構，未退火(Control)與經過 RTA 1000℃ 10 秒退火的 C-V 曲線，發現經過退火後 C-V 曲線往右偏移，功函數也由原本的 4.75 eV 增加至 4.82 eV，差異值約為 0.07 eV，如圖 4.21 所示，雖然 C-V 曲線往右偏移範圍不大，但其片電阻值卻高達 441.1 ohm/square，如此高的阻值可能會使 RC Delay 更加明顯。

圖 4.22 為氰氣及氮氣流量比 1 比 3 的電容結構，發現其經過 RTA 1000℃ 10 秒退火後的 C-V 曲線往右偏移，功函數也由 4.79 eV 增加至 4.90 eV，差異值為 0.11 eV，圖 4.23 所示，片電阻值為 139.05 ohm/square 和 Ar / N2流量比為 1 比 1 的片電阻值比起來還是差了快 2 倍。

藉由調整氮氣比例、固定氰氣比例之 N-rich ，其經過 RTA1000℃ 10 秒退火前後功函數的變化如圖 4.24 所示。

度並不會很大，這可能與氮氣的化學鍵結比較穩定有關，但是較高的片電阻值似乎不是我們所樂見的。由實驗結果得知氰氣以及氮氣流量比為 1 比 1，呈現出其較低的片電阻值；然而，由於 RTA 本身的機台極限，使得經過熱退火後金屬閘極的功函數偏移變大，此結果對於 gate-last 的製程將是不利的，換言之，使用微波退火將有能力去解決這些問題，因其較低的製程溫度、好的加熱均勻性以及經過熱退火後平帶電壓的偏移幾乎和未退火的相等。

依據使用金屬材料的不同，每種金屬本身的功函數也不盡相同，但可以確定的是在經過熱退火之後，金屬的功函數大多會往 mid-gap 方向移動 [4.1]。由實驗結果得知，藉由調整 TiN 金屬閘極的 Ar / N2 氣體流量沉積比，可獲得不同的功函數，此功函數數值在經過熱退火後也會往 mid-gap 靠近，圖 4.25 以及圖 4.26 為 Ti-rich 和 N-rich 在熱退火前後功函數變化的比較圖；Ti-rich 和 N-rich 片電阻值大小的比較圖，如圖 4.27 所示。平帶電壓、等效氧化層厚度以及功函數均由『考慮量子效應的模擬程式』所萃取出，如表 4.2 所示。

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub.

Normalized Capacitance(C/C max)

Gate Voltage (V) Control

RTA 1000^oC 10s

圖 4.1 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2

0.3 TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub. hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

RTA 1000^oC 10s Forward Reverse

圖 4.2 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.RTA1000℃10 秒退火的遲滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub.

Normalized Capacitance(C/C max)

Gate Voltage (V) Control

M.W. 2100W 100s M.W. 2100W 600s

圖 4.3 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.未退火(Control)與微波退火之 C-V 圖

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2

0.3 TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub. hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

M.W. 2100W 100s Forward Reverse

圖 4.4 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.微波 2100 W 100 秒退火的遲滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2

0.3 TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub. hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

M.W. 2100W 600s Forward Reverse

圖 4.5 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.微波 2100 W 600 秒退火的遲滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub.

Normalized Capacitance(C/C max)

Gate Voltage (V) Control

M.W. 2100W 100s*6

圖 4.6 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.未退火(Control)與微波 2100 W 100s 做 6 次退火之 C-V 圖

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3

TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub. hysteresis

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

M.W. 2100W 100s*6 Forward Reverse

圖 4.7 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.微波 2100 W 100 秒做 6 次退火的遲滯曲線

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance(C/C max)

Gate Voltage (V)

Control RTA1000^oC 10s M.W. 2100W 100s M.W. 2100W 100s*6 M.W. 2100W 600s

TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO₂/Si Sub.

圖 4.8 TiN (PVD) / TiN (ALD) / SiO₂/ Sub.未退火(Control)與退火之 C-V 圖

表 4.1 TiN(PVD)/TiN(ALD)/SiO2/Sub.考慮量子效應模擬程式所萃取出來的參數

模擬程式

(CVC) 2100W 100s 2100W 600s 2100W 100sx6

V_fb (eV) -0.47 -0.30 -0.37

EOT(nm) 11.67 11.77 12.10

Work Function 4.45 4.62 4.53

模擬程式

(CVC) RTA1000^oC Control

V_fb (eV) -0.09 -0.46

EOT(nm) 11.44 11.66

Work Function 4.82 4.46

Samples

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Die1 Die2 Die3 RTA 1000oC 10s

圖 4.9 RTA 後 C-V 特性的均勻性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Die1 Die2 Die3 M.W. 2100W 100s

圖 4.10 微波後 C-V 特性的均勻性

圖 4.11 RTA 和微波退火其片電阻值的均勻性

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance(C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N2= 1:1 RTA 1000^oC 10s

PVD+ALD PVD

圖 4.12 有無 ALD TiN 緩衝層的差異之 C-V 圖

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance (C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N₂= 1:1

Control RTA 1000^oC

圖 4.13 Ar/N₂=1:1 的 TiN (PVD) / SiO2 / Sub.結構未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:1

圖 4.14 為 Ar/N₂=1:1 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance (C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N₂= 2:1

Control RTA 1000^oC

圖 4.15 Ar/N₂=2:1 的 TiN (PVD) / SiO2 / Sub.結構未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=2:1

圖 4.16 為 Ar/N₂=2:1 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance (C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N₂= 3:1

Control RTA 1000^oC

圖 4.17 Ar/N₂=3:1 的 TiN (PVD) / SiO2 / Sub.結構未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=3:1

圖 4.18 為 Ar/N₂=3:1 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:1 Ar/N₂=2:1 Ar/N₂=3:1

圖 4.19 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化(Ti-rich)

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance (C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N₂= 1:2

Control RTA 1000^oC

圖 4.20 Ar/N₂=1:2 的 TiN (PVD) / SiO₂/ Sub.結構未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:2

圖 4.21 為 Ar/N₂=1:2 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Normalized Capacitance (C/C max)

Gate Voltage (V) Ar/N₂= 1:3

Control RTA 1000^oC

圖 4.22 Ar/N₂=1:2 的 TiN (PVD) / SiO₂/ Sub.結構未退火(Control)與 RTA 退火之 C-V 圖

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:3

圖 4.23 為 Ar/N₂=1:3 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:1 Ar/N₂=1:2 Ar/N₂=1:3

圖 4.24 RTA1000℃10 秒退火前後功函數的變化(N-rich)

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m (eV)

Ar/N₂=1:1 Ar/N₂=2:1 Ar/N₂=3:1 Ar/N₂=1:2 Ar/N₂=1:3

圖 4.25 Ti-rich 和 N-rich 熱退火前後的功函數變化

圖 4.26 TiN Metal Gate 熱退火前後的功函數變化

1:1 2:1 3:1 1:2 1:3 0

100 200 300 400

Sheet Resistance (ohmic/sq.)

Ar / N

₂

Ratio

圖 4.27 Ti-rich 和 N-rich 的片電阻值

表 4.2 Ti-rich 和 N-rich 考慮量子效應模擬程式所萃取出來的參數

模擬程式 (CVC)

Control RTA1000^oC

V_fb (eV) -0.42 -0.17

EOT(nm) 11.47 11.94

Work Function 4.51 4.76

模擬程式 (CVC)

Control RTA1000^oC

V_fb (eV) -0.11 -0.08

EOT(nm) 11.52 11.42

Work Function 4.82 4.85

模擬程式 (CVC)

Control RTA1000^oC

V_fb (eV) 0.00 -0.13

EOT(nm) 11.58 11.04

Work Function 4.94 4.77

模擬程式 (CVC)

Control RTA1000^oC

V_fb (eV) -0.18 -0.10

EOT(nm) 11.09 11.23

Work Function 4.75 4.82

模擬程式 (CVC)

Control RTA1000^oC

V_fb (eV) -0.14 -0.04

EOT(nm) 11.04 11.55

Work Function 4.79 4.90

Sample

Sample Ar:N₂=1:2

Ar:N₂=1:3 Ar:N₂=1:1

Ar:N₂=2:1

Ar:N₂=3:1 Sample

Sample

在文檔中中華大學 (頁 64-81)

第四章 結果與討論

4.2 TiN 金屬閘極之 Ti-rich 和 N-rich 對金氧半元件(MOS-C)特性之研究

4.2.3 TiN 金屬閘極之 N -rich 退火前後的電性變化

-3 -2 -1 0 1 2 3

0.0 0.1 0.2 0.3

Gate Voltage (V)

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Before annealing After annealing 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

1:1 2:1 3:1 1:2 1:3 0

100 200 300 400

Ar / N

Ratio

第四章結果與討論