TiN / SiO 2 / Sub. 在不同條件微波退火與 RTA 的物理特性變化

圖 4.33、圖 4.34 為 TiN/SiO₂/Sub. 在微波退火與 RTA 後的 XRD spectra。有文 獻指出 TiN 的結構改變或是在 TiN/SiO2介面的結晶方向變化，可能會導致原件功函 數的改變[47]。從圖中可以發現未退火與退火在結晶方向(111) peak 的不同，微波 2100W 退火與未退火的 peak 之間相差了 7%，而微波 2400W 與未退火的差距為 8%，

而 RTA 1000℃ 10 秒的 peak 則與未退火相差了 23%。所以在這邊可以推斷因為 TiN 金屬閘極經過退火之後的結晶強度會左右我們的功函數差異。

這樣的情況同樣會反應到 TiN 的片電阻值，圖 4.35 為利用四點探針所量測出來 未退火與退火的片電阻值。微波 2100W 與 2400W 之間的片電阻值相差不大，未退火 前的片電阻值為 71Ω/sq，微波退火之後為 63Ω/sq，RTA 退火之後為 53Ω/sq。

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

Control MWA 2400W 100s

MWA 2400W 200S

RTA 800℃60S

RTA 950℃30S Vfb (eV) -0.68 -0.68 -0.68 -0.52 -0.61 EOT(nm) 5.11 5.08 4.90 4.29 3.27

Work

Function 4.23 4.24 4.22 4.40 4.26

MW 4P 75S MWA 2400W 100S

MWA 2400W 200S

MWA

2400W 300S RTA 1000℃10S

-0.26 -0.34 -0.35 -0.36 -0.45

5.0 5.0 5.0 5.2 5.2

4.73 4.67 4.66 4.64 4.56

表 4.2 TiN/SiO₂/Si Sub.考慮量子效應模擬程式所萃取出來的參數 Control MWA

2100W 75s

MWA 2100W 100S

MWA 2100W 200S

MWA 2100W 300S Vfb (eV) -0.18 -0.19 -0.21 -0.30 -0.31 EOT(nm) 4.89 4.90 4.92 5.09 5.1

Work

Function 4.83 4.82 4.79 4.71 4.70

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Chemical oxide Chemical oxide with RTA 1000^oC 10s (N2)

RTO 600^oC 30s (O2)

圖 4.1 TiN/HfO2/Si Sub.搭配不同條件的 Chemical Oxide 與 RTA 中通 O2形成 Oxide 的 C-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-11 10^-9 10^-7 10^-5 10^-3 10^-1

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Chemical oxide Chemical oxide with RTA 1000^oC 10s (N2)

RTO 600^oC 30s (O2)

圖 4.2 TiN/HfO₂/Si Sub.搭配不同條件的 Chemical Oxide 與用 RTA 中通 O₂成長 Oxide 的 I-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control PDA 600^oC30s PDA 700^oC30s

圖 4.3 TiN/HfO2/Si Sub 經過不同條件 PDA 的 C-V 圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control PDA 600^oC30s PDA 700^oC30s

圖 4.4 TiN/HfO₂/Si Sub 經過不同條件 PDA 的 I-V 圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

TiN(PVD)/HfO₂

TiN(PVD)/TiN(ALD)/HfO₂

圖 4.5 分別使用 ALD 與 PVD 方式沉積金屬閘極 TiN 的 C-V 圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-11 10^-9 10^-7 10^-5 10^-3 10^-1

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

TiN(PVD)/HfO₂

TiN(PVD)/TiN(ALD)/HfO₂

圖 4.6 分別使用 ALD 與 PVD 方式沉積金屬閘極 TiN 的 I-V 圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Control

MWA 2100W 300s MWA 2400W 100s

圖 4.7 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與微波退火的 C-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2100W 300s MWA 2400W 100s

圖 4.8 TiN/HfO₂/Si Sub 未退火與微波退火的 I-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Control

RTA 800^oC 60s RTA 1000^oC 10s

圖 4.9 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與 RTA 退火的 C-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control RTA 800o

C 60s RTA 1000o

C 10s

圖 4.10 TiN/HfO₂/Si Sub 未退火與 RTA 退火的 I-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2100W 300s MWA 2400W 100s RTA 800o

C 60s RTA 1000o

C 10s

圖 4.11 TiN/HfO2/Si Sub 未退火與退火之後的 C-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2100W 300s MWA 2400W 100s RTA 800^oC 60s RTA 1000^oC 10s

圖 4.12 TiN/HfO₂/Si Sub 未退火與退火之後的 I-V 比較圖

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) control

Forward Reverse

圖 4.13 TiN/HfO2/Si Sub 未退火的遲滯曲線

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

MWA 2100W 300s Forward Reverse

圖 4.14 TiN/HfO₂/Si Sub 微波 2100W 300 秒的遲滯曲線

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

MWA 2400W 100s Forward Reverse

圖 4.15 TiN/HfO2/Si Sub 微波 2400W 100 秒的遲滯曲線

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) RTA 800o

C 60s Forward Reverse

圖 4.16 TiN/HfO₂/Si Sub RTA 800℃ 60 秒的遲滯曲線

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) RTA 1000o

C 10s Forward Reverse

圖 4.17 TiN/HfO2/Si Sub RTA 1000℃ 10 秒的遲滯曲線

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0.0

0.2 0.4 0.6

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2400W 100s MWA 2400W 200s

圖 4.18 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與微波退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control RTA 800^oC 60s RTA 950^oC 30s

圖 4.19 TiN/TaN/SiO₂/Si Sub. 未退火與 RTA 退火的 C-V 圖

-2 -1 0 1 2 10^-12

10^-10 10^-8 10^-6 10^-4 10^-2 10⁰

Jg (A/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2400W 100s MWA 2400W 200s RTA 800o

C 60s RTA 950o

C 30s

圖 4.20 TiN/TaN/SiO2/Si Sub. 未退火與退火的 I-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V)

Control

MWA 2400W 100s MWA 2400W 200s RTA 800^oC 60s RTA 950^oC 30s

圖 4.21 TiN/TaN/SiO₂/Si Sub. 未退火與退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0.0

0.2 0.4 0.6

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die1 Die2 Die3

圖 4.22 微波 2400W 100 秒的均勻性

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

0.0 0.2 0.4 0.6

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die1 Die2 Die3

圖 4.23 微波 2400W 100 秒的均勻性

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die1 Die2 Die3

圖 4.24 RTA 800℃60 秒的均勻性

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Capacitance (F/cm2 )

Gate Voltage (V) Die1 Die2 Die3

圖 4.25 RTA 950℃ 30 秒的均勻性

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Capacitance (C/Cmax)

Gate Voltage (V) Control

RTA

圖 4.26 TiN/ SiO2/Si Sub. 未退火與 RTA 退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Capacitance (C/Cmax)

Gate Voltage (V) 2100W

Control 75s 100s 200s 300s

圖 4.27 TiN/ SiO2/Si Sub. 未退火與微波 2100W 退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Capacitance (C/Cmax)

Gate Voltage (V) 2400W

Control 75s 100s 200s 300s

圖 4.28 TiN/ SiO₂/Si Sub. 未退火與微波 2400W 退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Capacitance (C/Cmax)

Gate Voltage (V) 2100W

Control 75s 100s 200s 300s RTA

圖 4.29 TiN/ SiO2/Si Sub.微波 2100W 與 RTA 退火的 C-V 圖

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Normalized Capacitance (C/Cmax)

Gate Voltage (V) 2400W

Control 75s 100s 200s 300s RTA

圖 4.30 TiN/ SiO₂/Si Sub.微波 2400W 與 RTA 退火的 C-V 圖

Control 75s 100s 200s 300s RTA 4.0

4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2

Work Function m(eV)

Annealing Conditions 2100W

2400W

圖 4.31 TiN/ SiO2/Si Sub.未退火與退火之後的功函數變化

75s 100s 200s 300s RTA

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

B_Power A B_Power B As_Power A

As_Power B

Sheet Resistance (ohm./sq.)

Annealing Conditions

P_Power A P_Power B

圖 4.32 ³¹P、As 和 B 分別掺雜在矽晶板上退火之後的 Rs 值

30 40 50 60 70

2100W

₍₂₂₀₎

(111)

RTA 300s

100s 200s

Control

Intensity (a.u.)

2 Theta (deg.)

圖 4.33 TiN/ SiO2/Si Sub.未退火與微波 2100W、RTA 退火的 XRD 圖

30 40 50 60 70

2400W

₍₂₂₀₎

(111)

RTA 300s

100s 200s

Control

Intensity (a.u.)

2 Theta (deg.)

圖 4.34 TiN/ SiO₂/Si Sub.未退火與微波 2400W、RTA 退火的 XRD 圖

Control 75s 100s 200s 300s RTA 30

40 50 60 70 80 90

Sheet Resistance (ohm./sq.)

Annealing Conditions Power A

Power B

圖 4.35 TiN 利用四點探針量測出來的 Rs

在文檔中 中 華 大 學 碩 士 論 文 (頁 67-89)