複晶矽鍺閘極之負偏壓溫度不穩定性研究

國立交通大學

電子物理所

碩士論文

題目：

複晶矽鍺閘極之負偏壓溫度不

穩定性研究

Study of NBTI in pMOSFETs with

Poly-Si

_x

Ge

_1-x

Gate

研究生：

吳明勳，Ming-Hsun,Wu

指導教授：

趙天生 博士 T.S. Chao

複晶矽鍺閘極之負偏壓溫度不穩定性研究

Study of NBTI in pMOSFETs with

Poly-Si

_x

Ge

_1-x

Gate

研 究 生：吳明勳 Student：Ming-Hsun Wu 指導教授：趙天生 博士 Advisor：Dr. Tien-Sheng Chao

國 立 交 通 大 學

電子物理學系 電子物理研究所碩士班

碩 士 論 文

A Thesis

Submitted to Institute of Electrophysics National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

In

Electrophysics June 2004

HsinChu, Taiwan, Republic of China

中華民國 九十三 年 六 月

摘 要

本論文中，主要是將氮離子佈植利用在複晶矽鍺閘極 PMOS 元

件中，來探討對於硼穿透與閘極空乏現象，及不同劑量氮離子佈值對

P 型金氧半電晶體中負偏壓溫度不穩定性 NBTI (Negative Bias

Temperature Instabilities) 的影響。 在第一部份，為了改善複晶矽鍺閘極氧化層的品質，利用 N2O 氧化層處理的方法。從研究中發現，這個方法可以有效抑制硼穿透效 應並改善氧化層的可靠度，推究其原因是SiO2/Si 介面堆積了許多氮 原子，形成矽氮強鍵來取代矽氧弱鍵結。另外探討複晶矽鍺閘極在不 同離子佈植劑量下，對於硼穿透、閘極空乏與阻值的關係。 第二部份主要是研究不同的濃度氮離子佈值對NBTI 的影響。我 們發現在閘極佈值氮離子劑量的越高，會造成較嚴重的 NBTI。此外

本論文中也會探討動態NBTI 與 Substrate Hot Hole，經過研究較大劑

量的氮離子佈值，也會造成較嚴重的基板熱載子效應。DNBTI 在閘 極加正偏壓時，發生回復(recovery)，這個現象指出其實 NBTI 所造 成的傷害是可以部分回復的。

Abstract

In this study, the effects of poly-SixGe1-x gate MOSFET’s with

nitrogen co-implantation process are investigated. The subject is focus on NBTI (Negative Bias Temperature Instabilities) of different nitrogen dosages, boron penetration, and gate depletion of the pMOSFET.

First, for the reliability and electrical properties concern, N2O

oxynitride was used for gate dielectric. Boron penetration was suppressed effectively, due to nitrogen atoms at Si/SiO2 interface. In addition, boron

penetration and gate depletion were discussed simultaneously under different dosage of nitrogen co-implantation.

Furthermore, the influence of different dosages of nitrogen implantation on NBTI was also investigated. High nitrogen dose implantation in the gate leads to serious NBTI degradation. Then both the dynamic NBTI effects and substrate hot holes effects were also discussed in this study. Larger nitrogen dose not only results in serious NBTI effects but also serious substrate hot holes. As DNBTI was measured, the reduction of ∆VTH after positive gate bias stressing is related with the

誌謝

碩士論文完成之際，首先要感謝我的指導教授趙天生博士對於我 的研究悉心指導，趙天生博士對實驗的嚴謹、知識的探索和對人生的 態度與觀感，都使我獲益良多。老師的愛護，將永銘於心，不敢忘懷。 另外在此要特別感謝李耀仁學長，在學長的提攜與幫忙下，讓我 有機會能和這麼多優秀的學長同學們一起研究學問，並且在實驗與論 文撰寫時，耐心的帶領與細心的指導，讓我在兩年的研究所生涯中， 收穫豐富並能順利的完成論文。除了由衷的說聲感謝之外，也祝福學 長能在順利畢業後成家立業，並有個健康的身體。 同時我要感謝湯永正先生在實驗儀器的訓練與傳承，蔡家鵬先生 提供實驗的樣品，和謝松齡同學在量測上的幫忙，讓我得以完成實驗。 再來感謝實驗室的學長們-羅文正、陳建豪、吳家豪、郭柏儀， 在知識與生活上的指導與關心。還有一起在實驗室打拼的同窗-呂宗 宜、黃宗彬、何佩昌、湯乾紹、陳莘傑，還有可愛的學弟妹們，有你 們的陪伴與鼓勵，讓我在求學的路上並不孤獨。 感謝我的好友-黃松苗、邵耀賢、梁詠涵，能在我課餘時陪我上 山下海談天說地。還有親愛的佩玲，在我忙碌於實驗時，對我的照顧、 包容與鼓勵。 最後感謝我的父母吳善租先生與徐月圓女士，還有我的姊姊吳蕙

如，在我的求學生涯中，成為我的堅強後盾不斷的鼓勵與支持我，讓 我朝著夢想前進而永遠不會擔心與害怕，在此獻上最誠摯的感謝。最 後，僅以此文獻給我的父母，以及所有曾經幫助過我的人。

吳明勳

目錄

中文摘要...I 英文摘要...II 誌謝...III 目錄...V 圖目錄...VII 第一章 緒論 ...1 1.1 負偏壓溫度不穩定性NBTI ...1 1.2 複晶矽鍺閘極...4 1.3 量測方法...7 1.3.1 C-V

曲線

...8 1.3.2 ID-VGS

特性曲線

...8 1.3.3 Stress ...8 1.4 論文架構...8 第二章 元件製程 ...11 2.1 晶片刻號，曝零層級形成N-Well...11 2.2 形成LOCOS ...11 2.3 消除 Kooi effect...12 2.4 長閘極氧化層，定義閘極...13

2.5 形成基極及活化摻雜...13 2.6 做接觸窗(contact hole)，接出金屬導線，燒結 ...14 第三章 複晶矽鍺閘極經不同氮化處理後硼穿透現象的探討 ...18 3.1 引言...18 3.2 結果與討論...19 3.2.1

硼穿透現象

...19 3.2.2

閘極空乏

...22 第四章 氮離子對負偏壓溫度不穩定性 NBTI 的影響 ...36 4.1 引言...36 4.2 結果與討論...36 4.2.1

臨界電壓(

VTH

)、最大轉移電導(

Gmmax

)

...36

4.2.2 NBTI

與基板熱載子效應（

Substrate Hot Hole

，

SHH

）

...39

4.2.3

溫度變化對

NBTI

的影響

...40 4.2.4

動態負偏壓溫度不穩定性

DNBTI...41 4.2.5

氮離子對

CHC

的影響

...45 第五章 總結 ...96 『參考文獻』 ...98 作者簡介 ...105

圖目錄

【圖1-1】NBTI STRESS時各接腳的電壓，閘極加壓時使汲極、源極接地...10 【圖 2-1】實驗流程圖...16 【圖 2-2】實驗架構圖………17 【圖3-1】二次離子質譜儀(SIMS)分析。氮離子在複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極 介電層和複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層的分佈...24 【圖3-2】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示氮離子在 Dry oxideN2+1X1015：複

晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的分佈...25 【圖 3-3(a)】通道長度為 1μm 的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植濃度愈高時， 有較大的臨界電位絕對值(|VTH|)………..…26 【圖3-3(B)】通道長度為 10μM的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植濃度愈高時， 有較大的臨界電位絕對值(|VTH|)...27 【圖3-4(A)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃度愈高，會有 較小的硼穿透效應，而且複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層不論有無氮離 子的佈植，|VTH|值都比複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層大的多 ...28 【圖3-4(B)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃度愈高，會有 較小的硼穿透效應，而且複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層不論有無氮離 子的佈植，|VTH|值也都比複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層大的多 ...29 【圖3-5(A)】Charging pumping current。複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層有很

大的斜率變化，可見硼穿透造成了許多介面缺陷，複晶矽閘極有嚴重的硼穿 透現象。不同濃度氮離子佈植，Qss 的斜率大致相同，顯示經過氮離子佈植 後，介面缺陷變化不大...30 【圖3-5(B)】Charging pumping current。複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層有

氮離子佈植的Qss 斜率比沒有氮離子佈植的元件較小，有較少的硼穿透..31 【圖3-6】不同含量的氮離子佈植對元件片電阻值上造成的效果，隨著氮離子濃 度的提高，元件有較高的片電阻值...32 【圖3-7】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介 電層的電壓-電容圖 ...33 【圖3-7】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的電壓-電容圖...34 【表3-1】各條件下晶片測量電容所求的之有效閘極介電層厚度(TOX) ...35 【圖4-1(A)】各溫度的平均 VTH，分別在三種溫度（室溫、 75℃、125℃）測量 了通道長度為1μM的MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 VTH...47 【圖4-1(B)】各溫度的平均 VTH，分別在三種溫度（室溫、75℃、125℃）測量 了通道長度為10μM的MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 VTH....48 【圖4-2】平均 GmMAX，分別在三種溫度（室溫、75℃、125℃）測量了通道長度 為10μM的MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 GmMAX...49

【圖4-3】在室溫下 N2+1×1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與Dry ox N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上佈植相同濃度劑量為 N2+1×1015的氮離子VTH的偏移...50 【圖4-4】在室溫下 N2+1×1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與Dry oxN2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上佈植相同濃度劑量為 N2+1×1015的氮離子的GmMAX的偏移...51 【圖4-5】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MVNBTI STRESS 10000 秒後 VTH的偏移，氮離子劑量越大則VTH的偏移越大...52 【圖4-6】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MVNBTI STRESS 10000 秒後 GmMAX的偏移...53 【圖4-7】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MVNBTI STRESS 10000 秒後 VTH的偏移，氮離子劑量越大則VTH的偏移越大...54 【圖4-8】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MVNBTI STRESS 10000 秒後的 GmMAX偏移...55 【圖4-9】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI STRESS 10000 秒後的 VTH偏移...56 【圖4-10】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI STRESS 10000 秒後的 GmMAX偏移...57 【圖4-11】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI STRESS 10000 秒後的 VTH偏移...58 【圖4-12】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI STRESS 10000 秒後的 GmMAX偏移...59 【圖4-13】CONTROL片在125℃ -14MVNBTI STRESS 200 秒的 VTH偏移已經非常

嚴重，200 秒以後元件則已失效...60 【圖4-14】NBTI-STRESS加上基極電壓不為零(Vsub＝1，Vsub＝2)...61

【圖4-15】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI

Vsub=2V STRESS 10000 秒後的 VTH偏移...62

【圖4-16】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃ -14MVNBTI

Vsub=2V STRESS 10000 秒後的 VTH偏移...63 【圖4-17】Dry ox N2+1X1015: 複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層片而在定義

閘極前做氮離子劑量1×1015 IONS/㎝2，Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-STRESS

後離子佈植經過10000 秒後的 VTH偏移...64 【圖4-18】NBTI-STRESS時能帶隨著Vsub 的變化，加上 Vsub 所造成的效應為在

通道的能帶更加陡直，而使得substrate hot hole 的數量變大 ...65

【圖4-19】二氧化矽閘極介電層與氮氧化矽閘極介電層各條件下的分別於

Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-STRESS後VTH-10000S...66

【圖4-20】30℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑

【圖4-21】70℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑 量的氮離子佈植的VTH偏移...68 【圖4-22】110℃下複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同 劑量的氮離子佈植的VTH偏移...69 【圖4-23】30℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑 量的氮離子佈植的VTH偏移...70 【圖4-24】70℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑 量的氮離子佈植的VTH偏移...71 【圖4-25】110℃下複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同 劑量的氮離子佈植的VTH偏移...72 【圖4-26】N2+1X1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而定義閘極前做氮 離子劑量1×1015 IONS/㎝2的離子佈植，在變溫下VTH的變化...73 【圖4-27】Dry oxN2+1X1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘 極前做氮離子劑量1×1015 IONS/㎝2的離子佈植在變溫時 VTH偏移的變化.74 【圖4-28】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層的 VTH偏移對變溫的圖形...75 【圖4-29】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的 VTH偏移對變溫的圖形...76 【圖4-30】由斜率可以比較出，二氧化矽閘極介電層的活化能大於氮氧化矽閘極 介電層的活化能，有氮摻雜的閘極介電層產生的NBTI 效應較嚴重 ...77 【圖4-31】DNBTI stress 時閘極加不同電壓，所產生的機制，閘極加正偏壓時，

在加負偏壓時所產生的H+會再跑回去與NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)處而產生回復的效應...78 【圖4-32】氮氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 VTH偏移的影響...79 【圖4-33】二氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 VTH偏移的影響...80 【圖4-34】N2+1X1013片經過12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電 層垂直電場為-13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為 +13MV/CM與 +1VOLT的 DNBT-STRESS後VTH的偏移...81 【圖4-35】CONTROL片經過12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電 層垂直電場為-13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為 +13MV/CM與 +1VOLT的 DNBT-STRESS後VTH的偏移...82 【圖4-36】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為 0VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...83 【圖4-37】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為+1VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...84 【圖4-38】氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為+2VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...85

【圖4-39】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為 0VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...86 【圖4-40】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為+1VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...87 【圖4-41】二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘 極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)為+2VOLT的 DNBT-STRESS 後VTH的偏移...88 【圖4-42】N2+1X1015複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層做氮離子劑量1×1015 IONS/㎝2的離子佈植，氮氧化矽閘極介電層在12000 秒的 125℃，負偏壓設 定(VGN)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/CM，正偏壓設定(Vgp)分別為

0VOLT、+1VOLT、+2VOLT的 DNBT-STRESS後VTH的偏移...89 【圖4-43】CHANNEL HOT-CARRIER (CHC) STRESS時各接腳所加之偏壓...90 【圖4-44】CHC-STRESS時載子的流動方向...91 【圖4-45】氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離子佈植的 VTH 偏移...92 【圖4-46】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮 離子佈植的GM偏移...93 【圖4-47】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮 離子佈植的VTH偏移...94 【圖4-48】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮 離子佈植的GM偏移...95

第一章

緒論

1.1 負偏壓溫度不穩定性 NBTI

隨著 CMOS 製程技術提昇，元件製程技術邁入深次微米之際， 漸漸不合時宜的微米已被奈米（nanometer or nm。1 奈米=10−9 公尺 =10−3 微米）單位取代來做為元件尺吋的度量。象徵已進入一個技術 的新紀元，卻也代表更多挑戰的出現。為了增加半導體元件的效能和 減低成本，積體電路的元件密度必須不斷增加，而元件尺寸也必須不 斷小。目前 90 奈米製程已經進入量產階段。由於通道長度的縮小， 提升了元件的開關速度，為確保元件閘極(Gate)有良好的控制能力， 不會因短通道效應(short channel effects，SCE)[1、2]影響而變差，因 此閘極介電層厚度也必須相對變薄。因為隨著元件通道長度縮減，使 得源極(Source)與汲極(Drain)在通道上形成的空乏區比例增加，而使 的橫向電場的影響變大而不能忽視，而使閘極對通道的控制減弱。為 了解決這個問題，可以增加電晶體的單位面積電容值以減少橫向電場 的影響，所以閘極介電層的厚度亦需要變薄，來的到較高的單位面積

電容值 [2]。但是有些問題亦因此而生，而其中最主要的就是因直接 穿透(Direct Tunneling )而產生的閘極漏電流隨著閘極介電層的厚度 變薄而變大[3]。根據半導體產業的發展藍圖(Roadmap)，現今元件 中的閘極介電層厚度大約是 1.5 奈米(2003)，在可靠度的分析上，除 了已有的崩潰電荷(Qbd)、崩潰時間(Tbd)、與熱載子壓迫(Hot carrier stress)等等之外，由於閘極介電層的厚度的縮減使得在高溫長時間的 閘極負偏壓壓迫下，元件 VTH與操作電流(Id)的偏移更嚴重，影響了 元件的可靠度，這個現象就稱為負偏壓溫度不穩定性 NBTI(Negative

Bias Temperature Instabilities) [4、5]。與 Channel Hot Carrier 不同的 是，閘極加壓時使汲極、源極接地而不加電壓，NBTI 的影響依然存

在【圖 1-1】。而隨著閘極介電層的厚度縮減，NBTI 也就愈來愈嚴重

了[4]。偏壓溫度不穩定性 (Bias Temperature Instabilities) 有正負偏

壓 兩 種 ︰ 分 別 稱 為 正 偏 壓 溫 度 不 穩 定 性 PBTI ( Positive Bias

Temperature Instabilities) 與 NBTI [6]。研究發現其中會造成臨界電

壓 (VTH)與操作電流(Id) 的 偏 移 最 為 嚴 重 的 是 在 PMOSFET 上 的

NBTI[7,8]，所以許多人都將研究的焦點放在這上面。

首先是有關於元件製程上的研究：分別探討用 SiO2與 SiON 作閘

極介電層的不同[9,10,11,12]，從結果得知用 SiON 的閘極介電層會

是說 SiON 的閘極介電層較容易被電洞打斷鍵，而形成 positive fixed

charge 及介面捕捉(interface trap)，因而造成 VTH與Gm的偏移。此外

可以使用兩種閘極氧化層材料：二氧化矽以及二氧化矽/氮化矽的疊 層結構(N/O stack)[13]，在二氧化矽/氮化矽的疊層結構中，電洞很

容易被捕捉住，造成VTH較大的偏移。不同製程如：熱氧化成長閘極

介 電 層 在 氮 離 子 佈 植 的 矽 基 板 、 氧 化 氮 形 成 的 閘 極 介 電 層

(N2O-nitrided oxide)、快速熱氮化氧化層(rapid thermal nitric oxide)、

與氮電漿氧化層(remote plasma nitrided oxide) [14]，四種閘極介電

層對NBTI 的影響也不相同。另外，在金屬後迴火(Post Metal Anneal)

時，使用重氫(D2)的元件也比使用氫氣(H2)的更能夠抵抗 NBTI

[14]，因為重氫(D2)所形成的(Si-D)鍵結比氫氣(H2) 所形成的(Si-H)

鍵結強，電洞較不易打斷。在金屬層上研究也有使用不同的金屬：銅 (Cu)、鋁(Al)，不同的 barrier-metal：Ta、TaN，不同的 cap-layer：

PE-CVD SiNx、SiCx，不同的層間介電質(interlayer dielectric)：有機

低介電值材料(SiLKTM)、PE-CVD SiO2，都會有不同對NBTI 的影響

[15]。Charging damage 的大小對 NBTI 也有影響[16]。 硼穿透(Boron

penetration)的存在會使 NBTI 更嚴重[17]。Cap-layer 的形狀：覆蓋整 個晶片、主動區(active area)、gate area，cap-layer 的厚度不同也會造 成不同的影響[18]。通道長度(channel length)愈短則 NBTI 愈嚴重

[4、19]。Buried channel 的 NBTI 較 surface channel 的輕微[9]。雖 然 氮 氧 化 矽 閘 極 介 電 層 的 使 用 、 在 臨 界 電 壓 調 整 離 子 佈 植 與 Source/Drain extension 離子佈植時加入氮離子佈植已經是常用的製 程，而且對於元件特性也有若干的好處，如預防硼穿透，但是在NBTI 中氮、氫、水氣的存在都會造成更嚴重的電性衰退。在量測上， NBT-stress 的條件大多設定溫度為 100∼200 ℃、閘極負偏壓為使閘 極介電層之中的垂直電場為 -12∼-15MV/㎝ 、也有在 NBT-stress 中 加上基板的正偏壓，來探討其影響[11]。因為元件用於 CMOS 反向 器 上 的 使 用 狀 態 ， 有 研 究 提 出 動 態 負 偏 壓 溫 度 不 穩 定 性 (Dynamic-NBTI) [20,21,22]，其中閘極偏壓為正負交換，而在閘極 偏壓為正時，會有類似迴火(anneal)的效果，在閘極偏壓為負時所造 成的元件特性偏移，會在閘極偏壓為正時有部分的回復，這種現象使 的在推測元件的生命期時，可以稍微比用傳統的 NBTI 所推測的寬鬆 一點。

1.2 複晶矽鍺閘極

矽鍺(SiGe)薄膜沉積是近年來非常重要的一項新興技術，利用複 晶矽鍺作為閘極最主要的優點，可藉由改變材料中的Ge 含量調變電

Ge(0.66eV)之間，複晶矽鍺的傳導能帶(conduction band)位置和 Si、 Ge 近似，所以能隙主要的差別在於價能帶(valence band)的位置。由 此可知 n+ 複晶矽鍺和 n+複晶矽的費米能位相當接近，不過複晶矽鍺 的費米能位則較複晶矽接近Si 通道的 mid gap 位置。 根據近日的研究發現，使用複晶矽鍺也有改善硼穿透現象的效 果，也因此展現較p+複晶矽元件為優的崩潰電荷(charge-to-breakdown) 特性。詳細原因仍有待研究，推測是由於硼在複晶矽鍺的晶粒邊際擴 展速度較慢的緣故。複晶矽鍺另外有一個優點，是在固定的退火溫度 下, 活化速率遠較複晶矽為快[23~30]。

到達 sub-0.1um CMOS 時代之際，閘極氧化層厚度（Physical Gate

Oxide Thickness）將縮小至 1.5nm 至 2.0nm。在如此精細的 CMOS 技 術裡，poly-gate depletion 是要達到高功能元件之關鍵專題。雖然複 晶矽在積體電路技術的發展中是一種重要的材料，也被廣泛的應用著

[23]。而另一種 poly-Si1-xGex 材料也已被提出在許多元件製程應用

中，如:(1)當作形成淺接面的雜質擴散源(Shallow Junction Diffusion Source)[24]；(2)改善在形成互補式金氧半導體(CMOS)的閘極電極

在 N 型和 P 型通道中，摻雜設計的取捨問題[25]；(3)在大面積薄膜

前的研究中指出 poly-Si1-xGex 閘極比傳統的複晶矽閘極有更多的優 點。例如由於複晶矽鍺的熔點比複晶矽低，這物理現象將控制著製程 條件，所以複晶矽鍺閘極不管是在沉積、形成顆粒邊界（Grain Boundary）、或在雜質活化時，溫度都會比複晶矽來的低，而且有較 高的活化效率。這表示在較低的回火溫度、較少的雜質劑量，就可以 得到相當低阻值複晶矽鍺閘極，這意味使用複晶矽鍺來取代複晶矽當 閘極可改善閘極空乏現象及雜質穿透現象。此外可調變的功函數亦是 一個極大的優點。當沉積複晶矽鍺閘極時改變氣體（SiH4、GeH4）比 例，將會改變沉積後複晶矽鍺閘極中，矽與鍺的莫爾數比例，當鍺莫 爾數比例越高時，其能隙越小，因此在P 型 poly-Si1-xGex閘極中，功 函數可藉由改變鍺莫爾數比例來調變。當閘極功函數減少時，通道內 所摻雜的雜質可以減少。因此，通道中移動的載子被散射機率減少， 將使其移動率增加，進而提昇電流驅動能力。而且在主動通道的雜質 減少時，空乏層電容也減少，次臨界斜率（Subthreshold Slope，S.S.） 將會減少，這更使得元件的開關速度愈快。但是亦有研究顯示Ge 莫 爾數比例不能太高（>50％），否則短通道效應會更加嚴重 [27]，所 以功函數之調整亦存在一些取捨問題。

NEC 最新的研究結果顯示[28]，在 poly-Si1-xGex與SiO2間加入一

驅 動 能 力 。 複 晶 矽 在 經 過 氮 化 (Nitridation) 或 氧 化 層 經 過 密 化 (Densification)均可提昇氧化層之品質，並且此步驟可應用於非揮發 性 記 憶 元 件 (Nonvolatile Memory Devices) 之 複 晶 矽 間 氧 化 層 (Interpoly Dielectric)，使此元件有很高的電性品質[29、30、31]。

之前的研究提出許多方法來防止硼穿透，諸如堆疊式複晶矽閘 極，或氮離子植入閘極的製程(Nitrogen Co-Implantation Process)等等 [32 、 33] ， 由 於 堆 疊 式 複 晶 矽 閘 極 的 每 一 層 俱 生 氧 化 層 (Native Oxide)，使得每層的複晶矽柱狀結構不連續，因而打斷硼擴散路徑以 抑制硼的擴散。另外，在氮離子植入閘極的製程中，由於氮會與硼形 成 B-N 鍵結，減少硼的擴散，最後再藉由快速回火處理將氮離子驅 入到閘極與氧化層之介面以期望能更近一步的效抑制硼穿透效應。 本論文將試著以poly-Si0.83Ge0.17取代傳統複晶矽結構以解決奈米 元件之閘極空乏與硼穿透問題。此外，我們將使用不同的氮離子佈植 製程，並且觀察poly-Si0.83Ge0.17閘極和超薄氧化層的可靠性分析。

1.3 量測方法

在P型複晶矽閘極MOS量測方法上，許多方法被提出以萃取電性 特性及物理分析。以下將本論文所使用的電性參數量測方法作說明。

1.3.1 C-V 曲線

在P型複晶矽閘極MOS的氧化層的特性是以HP 4284 C-V分析儀 在高頻（1MHz）的電壓-電容量測中獲得。所有CV曲線的量測都是 由反轉區到累增區，量測面積為100μm x 10μm。

1.3.2 I

D

-V

GS

特性曲線

ID-VGS 量測是使用KEITHLEY 4200 參數分析儀。將MOS操作在 線性區（VDS= -0.1V），量測其ID與VGS的關係。臨界電壓的獲得是在 Gm最大值的VGS上對應到ID-VGS做切線與VGS軸所相交的電壓。

1.3.3 Stress

Stress 是使用 KEITHLEY 4200 參數分析儀與變溫量測系統。 NBTI stress 分別在室溫下與使用變溫系統達到 125℃下進行， CHC stress 則是只在室溫下進行，stress 條件各有不同之處將於第四章討 論。在stress 後測量 VTH、Gm，並視其變化量的大小，以得知元件的 電流—電壓特性衰退程度。

1.4 論文架構

本研究所使用的 P 型複晶矽鍺閘極的 MOS 元件做測試，我們以 複晶矽鍺取代複晶矽閘極。論文包含五個章節：

第一章：簡介負偏壓溫度不穩定性 NBTI 及使用複晶矽鍺閘極的 背景與動機，電性參數及物性量測的方法和本論文的結構。 第二章：將詳細敘述製程上的每一個步驟。 第三章：將 N2O 氮化氧化層應用在複晶矽鍺閘極上，可以明顯 發現經氮化過的閘極氧化層，有效抑制硼穿透現象。並探討複晶矽與 複晶矽鍺閘極在不同劑量的氮離子佈植後之元件特性，探討在閘極中 的鍺原子補陷硼原子的能力以及氮離子佈植捕捉硼離子，減緩硼擴散 經過閘極氧化層到通道，並討論其閘極空乏與硼穿透取捨的問題。 第 四 章 ： 本 章 節 主 要 的 內 容 為 探 討 將 N2O 氮 化 氧 化 層 （Oxynitride）應用在複晶矽鍺閘極上，及氮氧化矽閘極介電層與二 氧化矽閘極介電層在複晶矽鍺閘極加以不同劑量的氮離子佈植，對 P

型 金 氧 半 電 晶 體 中 負 偏 壓 溫 度 不 穩 定 性 NBTI (Negative Bias

Temperature Instabilities)以及動態負偏壓溫度不穩定性 DNBTI 的影

響。此外我們也要研究的是在NBTI 受到重視之前，常用來做可靠性

分析的工具：Channel Hot-Carrier (CHC)。

【圖 1-1】 NBTI stress 時各接腳的電壓，閘極加壓時使汲極、源極 接地而不加電壓

第二章

元件製程

本實驗的步驟為電晶體 MOSFETSs 製程，所有的製程均在國家

奈米實驗室(Nano Device Laboratory，簡稱 NDL)中進行。基本的製程

步驟列於【圖 2-1】與【圖 2-2】，下面則詳述PMOS 製程內容。

2.1 晶片刻號，曝零層級形成 N-Well

實驗是採用P-型六吋矽晶片，晶格方向<100>，阻質介於 15~25Ω-㎝之間。首先將所有的晶片以雷射刻號機刻號，方便以後辨識晶片， 用氨水去除刻號時所產生的微粒後，接著開始曝零層的動作(俗稱： 曝眼睛)，用途是在步進機(Stepper)曝光時晶片位置對準矯正用。之 後用離子佈植及爐管擴散法行成well，離子佈植條件(離子 P31，能量 120keV，劑量為 7.5×1012 ions/㎝ 2)。

2.2 形成 LOCOS

按照標準清洗步驟(Standard Clean)去清除晶片表面的雜質，然後

以高溫爐管成長Pad-Oxide(SiO2)-350Å，以及用低壓爐管沉積氮化矽

(Si3N4)-1500Å。這兩層的用途分別是：Pad-Oxide 用來抵抗氮化矽

(Si3N4)在矽表面所產生的應力，氮化矽(Si3N4)則是用來當罩幕(Mask)

用，藉著其不易被氧滲透的優點來進行場氧化層( Field Oxide )的製 作。接著進入微影(Lithography)及乾蝕刻程序，使用第一道光罩，將 主動區定義完成，微影時所採用的設備是G-Line Stepper 其光波波長 為436nm 的紫外線。接著以高溫爐管成長一層約 5500Å 的場氧化層， 最後再以磷酸去除氮化矽(Si3N4)，那麼具有LOCOS 結構的金氧半元 件便有了初使的外觀。

2.3 消除 Kooi effect

先用高溫爐管成長氧化層350Å 的 SiO2，再以濕蝕刻去除，這成 長蝕刻的步驟主要在消除Kooi effect。緊接著再成長一次相同厚度的

SiO2(Sacrificial Oxide)，其功能是覆蓋於矽的表面防止離子佈植過程

將表面的矽晶格毀壞過多。然後再以離子佈植法進行砷摻雜，離子佈 植條件(離子As+，能量為 80keV，劑量為 6×1012 ions/㎝ 2)，此離子 佈植得作用是對MOSFETs 的 VTH做適當的調整。緊接的再進行一次 磷摻雜，離子佈植條件(離子 P＋ ，能量為150keV，劑量為 4×1012 ions/ ㎝2)，此離子佈植得作用是防止 Punch-Through 效應。

2.4 長閘極氧化層，定義閘極

接著開始長閘極氧化層的動作，長氧化層前清洗除了作標準 RCA 清洗外，尚須增加一個清洗步驟，增加經稀釋的氫氟酸(配置比 例HF：H2O＝1：50)來蝕刻晶片表面的俱生氧化層(Native Oxide)， 以確實控制閘極氧化層的厚度，避免因俱生氧化層所造成的電性衰 減。成長閘極氧化層的動作是在垂直爐管中進行，條件是25Å 的 N2O

oxide 或 thermal oxide，最後疊上 poly-Si 2000Å 或者是文章中所研究

的 poly-Si0.83Ge0.17。接著在分別做 N2+離子佈植(摻雜離子:N2＋，能量

為20keV，劑量為分別為沒有佈植、1×1013 ions/㎝ 2、1×1014 ions/㎝2、

1×1015 ions/㎝2四種不同條件)，以期待此種製程方法能對硼穿透效應 有 所 改 善 。 此 複 晶 矽 鍺 經 摻 雜 後 將 是 元 件 的 閘 極 電 極 (gate electrode)。接著用第二道光罩定義閘極，用 TCP 對 poly-Si 或 poly-Si0.83Ge0.17做蝕刻，完成閘極。接著用第三道光罩定義源、汲極， 最後閘極與源、汲極同時離子佈植BF2+(離子 BF2+，能量為20keV， 劑量為6×1015 ions/㎝2)。

2.5 形成基極及活化摻雜

接下來再以光罩四覆蓋住閘極源極與汲極，對暴露出來的部分　 基極)作中電流離子佈植，植入的參數為：(S＝As＋ ，Energy＝40keV，

Does＝5×1015 ions/㎝2)，As＋ 的作用是降低基極的電阻。再來將晶片 送入高溫爐管以針對先前植入的Dopant 活化(Activation)這個製程的 條件為盧管退火製程850℃，20 分鐘。

2.6 做接觸窗(contact hole)，接出金屬導線，燒結

接著在晶片的表面沉積一層厚度5500Å 的 TEOS。TEOS 是一種 含有矽與氧的有機矽化物全名為正矽酸乙酯-Si(OC2H5)4，是用來隔 絕金屬與元件的隔絕材料，沉積在晶片表面以便於進行後續的金屬層 沉積。完成後跟著在覆蓋光阻，由第四道光罩來製作接觸孔(Contact Hole)的圖案，先用乾式蝕刻，再以 BOE 進行濕式蝕刻。再將光阻去 除，進行標準四層金屬（Ti/TiN/Al/iN）的濺鍍(Sputtering)。最後一 道製程是定義金屬墊(Metal Pad)的圖樣，使用 Helicon-Wave Plasma Etcher 來完成蝕刻金屬以及光阻的去除，到此元件的外觀已經完全形

成。再送入高溫爐管完成元件；以攝氏 400 度的溫度下通氫氣做 30

分鐘的燒結(Sintering)，使金屬層與矽基板的接觸更為密合，減少串 聯電阻或漏電流的發生機率。燒結完後，電晶體即告完成。

實 驗 流 程 圖

Dry Oxide and N2O Oxide

Well formation

LOCOS formation

Eliminate Kooi effect

Source/Drain impant Gate oxide formation

Gate patterning Poly-Si deposition N-well P+: E=120KeV D=7.5×1012 SiO2: 5500Å Poly-Si or poly-Si0.85Ge0.17: 2000Å BF2 : E=20KeV D=5×1015 N2+ implant N2: E=20KeV D=1×1013 N2: E=20KeV D=1×1014 N2: E=20KeV D=1×1015

Contact hole

Ti/TiN/Al/TiN Native oxide remove

Activation Metalization Accomplish FURNACE: 850℃, 20min Dip HF 【圖 2-1】.實驗流程圖

實 驗 架 構 圖

z p-type Si wafer

z LOCOS isolation:

1. Oxide 350 Å 2. Nitride 1500 Å

3. Define active region 4. Channel stop implantation 5. Field oxide 5500 Å 6. Remove nitride

z n-well implantation

Well drive in (1100℃, 1700 Å ) p-sub n-well

n

+ FOX

_n

+

z MOS:

1. Gate oxide: 25 Å(N2O or DryO2)

2. Gate: P+-poly Si0.83Ge0.17,200nm

3. Gate implantation (N2+,20keV)

P+ P+ FOX FOX n+ _n+ n-well p-sub 【圖 2-2】. 實 驗 架 構 圖 poly-SiGe FOX FOX n+ n+ n-well p-sub FOX n+ n+ n-well p-sub FOX

z GATE,S/D IMPLANTATION:

1. P+ S/D implant: BF2, 20 keV, 6×1015

第三章

複晶矽鍺閘極經不同氮化處理後硼穿透

現象的探討

3.1 引言

本章節主要將N2O 氮化氧化層應用在 P 型複晶矽鍺閘極 MOS 元 件，針對元件電性與物性分析來探討其抑制硼穿透與減少閘極空乏的 效應。並探討複晶矽鍺閘極在氮化處理過後，其元件的閘極空乏(gate depletion)與硼穿透現象的探討。 以下為本論文中各條件晶片的規則：control 是指複晶矽閘極且 氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有氮離子的植入，no N2 是指複晶 矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有氮離子的植入，N2+ 1E13 是指複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮 離子劑量1×1013 ions/㎝2的離子佈植，N2+ 1E14 是指複晶矽鍺閘極且 氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量1×1014 ions/㎝2的 離子佈植，N2+ 1E15 是指複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在

定義閘極前做氮離子劑量1×1015 ions/㎝2的離子佈植，Dry oxide no N2+ 是指複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在製程中沒有氮離 子的植入，Dry oxide N2+ 1E15 是指複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介

電層而在定義閘極前做氮離子劑量1×1015 ions/㎝2的離子佈植。各晶

片用二次離子質譜儀(SIMS)分析氮離子在元件的分佈如【圖 3-1】為 氮離子在複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層和複晶矽閘極且氮氧

化矽閘極介電層的分佈。【圖 3-2】顯示氮離子在Dry oxide N2+ 1E15：

複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的分佈。

3.2 結果與討論

3.2.1 硼穿透現象

PMOS 元件製程會遭遇到一重要的問題，即是關於 PMOS 的硼 穿透閘極氧化層所造成的破壞。這是由於硼在氧化矽中有很大的擴散 係數(diffusivity) ，因此容易在高溫製程中發生此現象，特別是在使 用超薄閘極氧化層的深次微米製程。硼穿透閘極氧化層至基板後會造 成PMOS 的 VTH絕對值減少，嚴重時甚至讓元件無法關閉，使得電 路失效。另外，也會破壞閘極氧化層的品質，造成可靠性的問題。至 於 N 型的掺雜元素，如砷(As)或磷(P)，則無此困擾。即使閘極氧化 層度薄至 1.5nm，在 1050℃，20sec 的退火條件下也不會有嚴重的磷

(P)穿透現象產生。 電性量測是使用KEITHLEY 4200 參數分析儀與變溫量測系統。 分別量測了通道長度為 1μm 與 10μm 的 MOSFET 各 10 點，以求得平均 的VTH。當發生硼穿透效應，閘極的硼離子穿過介電層到達基板，使 基板增加了 P 型參雜，將使通道反轉更易發生，此時有較小的臨界電 位絕對值。所以首先觀察臨界電位的變化，【圖 3-3（a）、3-3（b）】 顯示當氮離子佈植濃度愈高時，有較大的臨界電位絕對值(|VTH|)， 表示隨著氮離子佈植濃度愈高，會有較小的硼穿透效應，在氮離子植 入閘極的製程中，由於氮會與硼形成 B-N 鍵結，減少硼的擴散，然而 不論是在乾氧或N2O 環境下成長閘極氧化層高濃度的離子佈植的元 件其|VTH|都相當接近，此即表示在高濃度的離子佈植並不會對|VTH| 造成什麼大的影響，推測高濃度的氮離子佈植已將大部分的硼離子阻 擋在閘極，所以閘極氧化層的影響不大。此外複晶矽鍺閘極且氮氧化 矽閘極介電層或二氧化矽閘極介電層不論有無氮離子的佈植，|VTH| 值都比複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層大的多，因為利用低壓化學 氣相沉積(LPCVD)製程所成長的 poly-Si(沉積溫度大於 600℃)的柱 狀結構(column structure)，在佈植後硼主要分佈在閘極上半部落，在 高溫活化程序時，硼會分別沿著poly-Si 的晶粒(grain)內及晶粒邊界 (grain boundaries)擴散。在晶粒邊際的擴散速度遠大於晶粒中，所以

在呈柱狀的結構的poly-Si 中，硼會先到達晶粒邊際和氧化層的交界 處，而發生硼穿透的現象[45]，可見使用複晶矽鍺來取代複晶矽當閘 極可改善雜質穿透現象。我們也可從二次離子質譜儀(SIMS)清楚看 出硼離子的穿透現象，【圖 3-4(a)、3-4(b)】顯示隨著氮離子佈植濃 度愈高，會有較小的硼穿透效應，而且複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極 介電層或二氧化矽閘極介電層不論有無氮離子的佈植，硼離子穿透都

較複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層小。Charging pumping current 可

用來探測並研究介面捕捉的變化，【圖 3-5(a)】顯示對每個週期所重 新建結的電荷:Qss ;Qss 對 log(f)的斜率和介面捕捉 Dit成正比 [60]，很明顯的複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層有很大的斜率變 化，可見硼穿透造成了許多介面缺陷，複晶矽閘極有嚴重的硼穿透現 象。再比較不同濃度氮離子佈植，Qss 的斜率大致相同，顯示經過氮 離子佈植後，介面缺陷變化不大。【圖 3-5(b)】複晶矽鍺閘極且二氧 化矽閘極介電層有氮離子佈植的Qss 斜率比沒有氮離子佈植的元件 較小，有較少的硼穿透。而複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層或二 氧化矽閘極介電層不論有無氮離子的佈植，Qss 的斜率都比複晶矽閘 極且氮氧化矽閘極介電層小的多，所以複晶矽鍺閘極在防止硼穿透有 較佳的表現。

3.2.2 閘極空乏

上節的討論可知氮離子的佈植可改善硼離子穿透效應，高濃度的 氮離子佈植雖有較好的阻擋硼離子的效果，但所伴隨而來的閘極空乏 也是我們不得不重視的影響。閘極空乏可由電壓-電容的量測來討論。 電容的量測為使用HP 4284 C-V分析儀在高頻（1ＭHz）的電壓-電容量測中獲得。所有C-V曲線的量測面積為100μm x 10μm。由公式 o x o x

a r e a

C

t

ε

=

×

_【式3-1】 其中 C 為電容值【單位： F (法拉)】，

ε

ox是絕緣體介電係數【二氧 化矽為 3.9×8.85×10-14 F/cm】，area 是指量測的電容面積(單位：cm2 )， 我們可以求得每個條件下的有效閘極介電層厚度(tox)，因為閘極空乏 的原因各晶片所測得的厚度略有不同，硼離子若活化不全將造成元件 片電阻質上升產生閘極空乏，不同含量的氮離子佈植對元件片電阻值 上造成的效果如【圖 3-6】，可以發現隨著氮離子濃度的提高，元件 有較高的片電阻值，片電阻值升高的原因是N2+的佈植會使得硼離子 在高溫活化時的擴散能力降低，進而導致活化不完全，使得片電阻值 有升高的趨勢。另一方面，比較傳統複晶矽與複晶矽鍺兩者的片電阻 值，可以發現當氮離子植入濃度為1x1015 ions/cm2時，其片電阻值還

比尚未離子佈植的傳統複晶矽片電阻值還低，表示利用複晶矽鍺作為 閘極由於因為活化能較低而使得片電阻值相對的減小。比較乾氧環境 下與N2O 環境下成長閘極氧化層元件之片電阻值，不難發現在經過 氮離子植入濃度為1x1015 ions/cm2時，其不論是在乾氧環境下或N2O 環境下成長閘極氧化層元件之片電阻值都相當接近，表示都具有相當 強的硼離子捕捉效果，而N2O 閘極氧化層有較高的片電阻值，推測 是更多的硼離子與氮離子鍵結，因此有較高的片電阻值，推究其原因 是複晶矽(鍺)閘極與閘極氧化層介面堆積了許多氮原子，與矽形成矽 氮強鍵來取代矽氧弱鍵結，並且有效的減少硼原子擴散到氧化層。由 【圖 3-7、3-8】可得知各條件的電容值，將圖中的Cmax帶入【式 3-1】 可以分別得到其厚度，這個厚度的值也決定了我們之後NBT-stress 時閘極所應加之偏壓(Vg)的大小。各不同條件的晶片上所測的的厚度 分別列於【表 3-1】，各條件下晶片測量電容所求的之有效閘極介電 層厚度(tox)。由以上的討論我們可以瞭解，對於不同的硼離子佈植劑 量與活化溫度的製程條件下，要在閘極空乏與硼穿透效應兩者間做一 取捨。

【圖 3-1】二次離子質譜儀(SIMS)分析。氮離子在複晶矽鍺閘極且氮 氧化矽閘極介電層和複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層的分佈 Depth(µm) -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 N itrogen Con cen tr at ion (at on /cm 3 ) 100x1015 1x1018 10x1018 100x1018 1x1021 10x1021 N₂+ 1x1013 N₂+ 1x1014 N₂+ 1x1015 control Substrate Poly gate

【圖 3-2】二次離子質譜儀(SIMS)分析。 顯示氮離子在Dry oxide N2+ 1x1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介 電層的分佈 Depth(µm) -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 Nitrogen Con cen tration(aton/c m 3 ) 100x1015 1x1018 10x1018 100x1018 1x1021 10x1021 Dry ox N₂+ 1x1015 Substrate Poly gate

【圖 3-3(a)】通道長度為 1μm 的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植

濃度愈高時，有較大的臨界電位絕對值(|VTH|)

L

_g

=1

µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15

Dry ox No N2 D ry ox N2+e15 con trol V TH (V ) -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4

room

【圖 3-3(b)】通道長度為 10μm 的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植 濃度愈高時，有較大的臨界電位絕對值(|VTH|) Lg=10µm Wafer N2+ E 1 3 N2+ E 1 4 N2+ E 1 5 D ry ox No N2 D ry ox N2 +e15 cont rol VTH (V ) -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 room

【圖 3-4(a)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃 度愈高，會有較小的硼穿透效應，而且複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極 介電層不論有無氮離子的佈植，|VTH|值都比複晶矽閘極且氮氧化矽 閘極介電層大的多 Depth(µm) -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 B oro n con cen tra tio n(a ton /cm 3 ) 100x1012 1x1015 10x1015 100x1015 1x1018 10x1018 100x1018 1x1021 N₂+ 1x1015 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+ 1x1015 Substrate Poly gate

【圖 3-4(b)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃 度愈高，會有較小的硼穿透效應，而且複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極 介電層不論有無氮離子的佈植，|VTH|值也都比複晶矽閘極且氮氧化 矽閘極介電層大的多 Depth(µm) -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 Boron concen tration (at on /cm 3 ) 1x1015 10x1015 100x1015 1x1018 10x1018 100x1018 1x1021 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+ 1x1015 control Substrate Poly gate

【圖 3-5(a)】Charging pumping current。複晶矽閘極且氮氧化矽閘極 介電層有很大的斜率變化，可見硼穿透造成了許多介面缺陷，複晶矽 閘極有嚴重的硼穿透現象。不同濃度氮離子佈植，Qss 的斜率大致相 同，顯示經過氮離子佈植後，介面缺陷變化不大

Frequency(Hz)

4x105 _5x105 _6x105 _7x105 _8x105 _9x105 _2x106 1x106

Q

SS

(C)

-200x10-15 -150x10-15 -100x10-15 -50x10-15 0 N₂+ 1x1013 N₂+ 1x1014 N₂+ 1x1015 control N₂+ 1x1013 Fit curve N₂+ 1x1014 Fit curve N₂+ 1x1015 Fit curve

【圖 3-5(b)】Charging pumping current。複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘 極介電層有氮離子佈植的Qss 斜率比沒有氮離子佈植的元件較小，有 較少的硼穿透

Frequency(Hz)

4x105 _5x105 _6x105 _7x105 _8x105 _9x105 _2x106 1x106

Q

SS

(C)

-200x10-15 -150x10-15 -100x10-15 -50x10-15 0 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+ 1x1015 control

Dry ox No N₂ Fit curve Dry ox N₂+ 1x1015 Fit curve control Fit curve

【圖 3-6】不同含量的氮離子佈植對元件片電阻值上造成的效果，隨 著氮離子濃度的提高，元件有較高的片電阻值 control N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 ry ox No N2 ox N2+E15 Sheet Resista n ce(ohm/sq) 0 100 200 300 400 500 600 700

【圖 3-7】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與複晶矽閘極且氮氧 化矽閘極介電層的電壓-電容圖 V(volt) -3 -2 -1 0 1 2 3 4 C(F ) 0 2x10-12 4x10-12 6x10-12 8x10-12 10x10-12 12x10-12 14x10-12 N₂+ 1x1013 N₂+ 1x1014 N₂+ 1x1015 Control

【圖 3-7】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的電壓-電容圖 V(volt) -3 -2 -1 0 1 2 3 4 C(F ) 0 2x10-12 4x10-12 6x10-12 8x10-12 10x10-12 12x10-12 14x10-12 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+ 1x1015

【表 3-1】各條件下晶片測量電容所求的之有效閘極介電層厚度(tox)

30.36

28.84

29.41

28.08

27.96

30.96

厚度

(Å)

Dry ox N

2 +

1x10

15

Dry ox No N

2

N

2 +

1x10

15

N

2 +

1x10

14

N

2 +

1x10

13

control

Wafer

第四章

氮離子對負偏壓溫度不穩定性

NBTI 的影響

4.1 引言

本章節主要的內容為探討將 N2O 氮化氧化層（Oxynitride）應用 在複晶矽鍺閘極上，及氮氧化矽閘極介電層與二氧化矽閘極介電層在 複晶矽鍺閘極加以不同劑量的氮離子佈植，對 P 型金氧半電晶體中 NBTI 的影響。此外我們也要研究的是在 NBTI 受到重視之前，常用 來做可靠性分析的工具：Channel Hot-Carrier (CHC)。

4.2 結果與討論

4.2.1 臨界電壓(V

TH

)、最大轉移電導(Gm

max

)

在此我們分別在三種溫度（室溫、75℃、125℃）測量了通道長 度為 1μm 與 10μm 的MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 VTH、 Gmmax，【圖 4-1(a)、4-1(b)】可以發現溫度升高後平均VTH也跟著

下降，矽基板的本徵載子濃度為溫度的強烈函數，因此 EF也是溫度 的函數，當溫度升高時 n 型矽基板的費米能階會往價帶靠近，使摻雜 濃度降低，平均 VTH也跟著下降。【圖 4-2】顯示平均 Gmmax，隨溫 度上升平均Gmmax也會跟著下降，通道上的載子會因為溫度的上升， 而震盪的更加劇烈，這使載子的遷移率下降，所以 Gmmax 也跟著下 降。在可靠性的分析上，我們量測VTH與 Gm 的偏移來觀察 NBTI 的 影響。這裡用來測試的元件為通道寬度為 100μm、通道長度為 0.8μm 的 P 型複晶矽閘極 MOSFET，氮離子在閘極介電層的存在已經被證 實會影響NBTI 效應，【圖 4-3、4-4】是在室溫下 N2+ 1×1015：複晶矽 鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與 Dry ox N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且 二氧化矽閘極介電層在閘極上佈植相同濃度劑量為 N2+ 1×1015的氮離 子VTH、Gmmax的偏移，閘極介電層垂直電場為-15 MV /cm 與閘極介 電層厚度決定了閘極偏壓（Vg）的大小 ox g ox

V

E

t

=

_{，氮氧化矽閘極介} 電層的 VTH 的偏移較大，可以得知氮氧化矽的鍵結較弱，比較容易

形成NBTI 中的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)，因此

其NBTI 效應較嚴重。再看閘極離子佈植時氮離子計量對 NBTI 的影

響【圖 4-5、4-6、4-7、4-8】，無論是二氧化矽閘極介電層或氮氧化

矽閘極介電層都有氮離子劑量越大則 VTH 與 Gmmax的偏移越大的現

1013為-18.9mV，N2+ 1×1014為-19.7mV，N2+ 1×1015為-20.6mV，這說明 了閘極離子佈植時氮離子劑量對於閘極介電層的品質的影響。而複晶 矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層或二氧化矽閘極介電層不論有無氮 離子的佈植， VTH 與 Gmmax的偏移都比 Control:複晶矽閘極且氮氧 化矽閘極介電層明顯較大，顯示有氮離子的摻雜會使 NBTI 嚴重的 多。再看高溫的變化【圖 4-9、4-10、4-11、4-12】此為 125℃ -14MV

NBTI stress 10000 秒後的VTH 與 Gmmax的偏移。變化的趨勢和室溫

-15MV NBTI stress 10000 秒後相同，但 VTH的偏移大幅的增加，N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層的 VTH 的偏移為-45 mV，所以由以上可以得到 NBTI-stress 的性質：閘極偏壓（Vg）越 大、stress 時溫度越高所造成 VTH的偏移越嚴重，當然這是在沒有 發生崩潰 [46~48]、軟崩潰（soft-breakdown）[49~52]下而言，在 stress 條件設立時應要注意這個地方。 此外我們沒有列出 Control:複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層 在高溫時的VTH與Gmmax的偏移，因為Control 片在高溫爐管退火時， 有大量的硼穿透，使得閘極介電層品質非常不好，在高溫 NBTI-stress 無法量測 10000 秒後的 VTH與 Gmmax的偏移。由【圖 4-13】可以發

現 Control 片在 125℃ -14MV NBTI stress 200 秒的 VTH偏移已經

4.2.2 NBTI 與基板熱載子效應（Substrate Hot Hole，SHH）

一般的 NBTI stress 時除了閘極有電壓外，源極、汲極、基極 (substrate)都是接地的，如【圖 1-1】所示，若我們再加上基極電壓

不為零(Vsub＝1，Vsub＝2)【圖 4-14】[53]，這樣一來VTH 與 Gmmax

的偏移增加，此時為NBTI 效應加上 SHH，【圖 4-15、4-16】顯示 125

℃ -14MV NBTI Vsub=2V stress 10000 秒後的 VTH偏移。變化的趨

勢和 125℃ -14MV NBTI stress 10000 秒後相同，但 VTH的偏移增

加許多。【圖 4-17】表示 Dry ox N2+ 1x1015: 複晶矽鍺閘極且二氧化

矽閘極介電層片而在定義閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/㎝ 2，閘

極介電層垂直電場為-14 MV/cm，Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後 VTH 的 偏 移 ， 其 中 VTH-10000s= -40.9mV(Vsub=0V) ，VTH-10000s=

-48.2mV(Vsub=2V)，增加的部分是因為Substrate Hot Hole 的參與而

造成的結果，我們假設在加上 Vsub 所造成的效應為在通道的能帶更 加陡直，而使得跨在 n-well 與 p-sub 間的空乏區的電場增大，產生

許多的電子電洞對，產生的電洞即所謂的Substrate Hot Hole。Substrate

Hot Hole 的數量變大而且也會傷害閘極介電層，總體的電洞數量增大

了 ， 其 所 碰 撞 造 成 的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface

trap) ，造成 VTH與 Gm的偏移也變得更大【圖 4-18】。【圖 4-19】

Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後 VTH-10000s ，而在氮氧化矽閘極介 電 層 和 二 氧 化 矽 閘 極 介 電 層 各 條 件 下 VTH- 10000s(Vsub=2V)- VTH- 10000s(Vsub=0V)值，可得知 N2+ 1x1015會有最大的值，也就是在閘極離 子佈植時氮離子計量 1×1015 cm-2會使得基板熱載子的影響變大。

4.2.3 溫度變化對 NBTI 的影響

由前面的章節我們可以知道溫度對NBTI 的影響，溫度越高造成 VTH與 Gm的偏移也越大，在這章節我們再對溫度與 NBTI 的關係作 更深入的瞭解。【圖 4-20、4-21、4-22】為變溫下複晶矽鍺閘極且氮 氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離子佈植對 NBTI 的影響，閘極介電層垂直電場定義為 Eox=(Vg-VFB)/tox=-11 MV/cm， 溫度分別設定在 30℃、70℃與 110℃，可以看的出來在各溫度下，氮

離子佈植的劑量越高 VTH偏移越大，在圖中 Log 　VTH對 Stress Time

的斜率也越大。【圖 4-23、4-24、4-25】顯示變溫下複晶矽鍺閘極且 二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離子佈植的 VTH偏移，顯然在各溫度下 Dry ox N2+ 1x1015：複晶矽鍺閘極且二氧 化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/㎝ 2 的離 子佈植比沒有佈植氮離子的 Dry ox No N2 條件，圖形斜率明顯大的 多。我們在比較各條件在變溫下的變化，【圖 4-26】為 N2+ 1x1015：複

晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量 1× 1015 ions/ ㎝ 2 的 離 子 佈 植 ， 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 定 義 為 Eox=(Vg-VFB)/tox=-11 MV/cm，溫度分別設定在 30℃、70℃與 110℃， 可以看的出來在各溫度下，溫度越高VTH偏移越大，但圖形斜率並沒 有改變，所以不同的溫度下造成 NBTI 的機制並沒有改變。【圖 4-27】 為複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑 量 1×1015 ions/㎝ 2的離子佈植在變溫時 VTH偏移的變化。我們可藉

由 LogΔVTH對溫度變化來做圖得到活化能（activation energy，Ea），

ΔVTH=Aexp(-Ea/kT) ，【圖 4-28】是複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極 介電層的VTH偏移對變溫的圖形，在不同的氮離子佈植條件下，斜率 沒有太大的改變，顯示各條件的活化能也相同則氮離子佈植的劑量並 沒有改變VTH偏移的機制。【圖 4-29】表示複晶矽鍺閘極且二氧化矽 閘極介電層的 VTH偏移對變溫的圖形，在對照【圖 4-30】由斜率可 以比較出，二氧化矽閘極介電層的活化能大於氮氧化矽閘極介電層的 活化能，唯不同的是在 A 值，A 值代表在介面上所有缺陷的總和。

4.2.4 動態負偏壓溫度不穩定性 DNBTI

一般的 NBTI 在加 stress 是維持固定的負閘極偏壓來造成 stress 的效果，進而得到元件的可靠性。但如果我們考慮元件應用

在一個CMOS 反相器上的話，當輸入端為低電壓(0)，而輸出端為高 電壓時(1)，這時的情況類似於閘極加負偏壓，會造成 NBTI 效應，使

得VTH變大與Gm變小。相對的，當輸入端為高電壓(1)，而輸出端為

低電壓時(0)，這時的情況類似於閘極加正偏壓，發生的現象有兩種：

【圖 4-31】正偏壓溫度不穩定性 PBTI (Positive Bias Temperature

Instabilities) 與回復，這個現象指出其實 NBTI 所造成的傷害是可以 部分回復的，因此在可靠性分析與元件生命期的要求上可以放寬一 點。所以設計了以下的實驗：以 2000 秒為一區段，分別加上閘極的 負正偏壓『負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場為-13MV/cm， 正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為+13MV/cm、0Volt、

+1Volt 或+2Volt』，共 12000 秒的 stress，在 125℃下進行，記錄其

VTH與 Gmmax的偏移。 先由【圖 4-32】顯示複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層在不 同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm， 正 偏 壓 設 定 (Vgp) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 為 +13MV/cm 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，在前兩千秒 stress 後表現出前面章節 所提的 NBTI 的趨勢，但因 stress 的時間還不夠長，所以現象還不 明顯，在 2100 秒後在加正偏壓時同時會因為其電場而使得在負偏壓

溫度不穩定性 NBTI 時所產生的 H+會再跑回去與因 NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)產生回復的效應。在

12000 秒的 125℃的 DNBT-stress 後依然有氮離子劑量越大則VTH偏 移越大的現象，如 125℃-DNBTI-E=13 MV/cm stress 12000 秒後的 VTH的偏移： N2+ 1x1013為-15.6mV，N2+ 1x1014為-16.5mV，N2+ 1x1015 為-17.2mV，跟 NBTI-stress 比較起來，其增加的幅度下降。此外比 較 Control 片: 複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有 氮離子的植入與複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層等條件，VTH的 偏移在正負偏壓下都比較小。【圖 4-33】是複晶矽鍺閘極且二氧化 矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮離子在 DNBTI 也是造成影響，依然有氮離子劑量越大 VTH偏移越大的現象。 不同正偏壓設定對DNBTI 的影響【圖 4-34、4-35】是 N2+ 1x1013 片與 control 片經過 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極 介電層垂直電場為-13MV/cm，正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直 電場為+13MV/cm 與 +1Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，其中正 偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為+13MV/cm 的時候在 2100 秒之後偏移會在增加與正偏壓設定(Vgp)為+1Volt 的不同，其增加的

原因是由於TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)。在加正

為+1Volt 則 TDDB 的效果不明顯。【圖 4-36、4-37、4-38】顯示複 晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 -13MV/cm ， 正 偏 壓 設 定 (Vgp)分 別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，這裡也是氮 離子劑量越大則VTH-12000s的偏移越大。【圖 4-39、4-40、4-41】是複 晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 -13MV/cm ， 正 偏 壓 設 定 (Vgp) 分 別 為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，這裡的結果 跟NBTI 的一樣，都是閘極氮離子佈植造成的 VTH的偏移。最後我們 比較各條件在不同的正偏壓設定(Vgp)分別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，【圖 4-42】為 N2+ 1x1015複晶矽鍺閘 極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量 1×1015 ions/ ㎝ 2的離子佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm，正偏 壓設定(Vgp)分別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH 的偏移，stress2100 秒開始 VTH的偏移開始出現變化，明顯看的出 來正偏壓設定(Vgp)為+2Volt 的VTH回復比正偏壓設定(Vgp)為 0Volt

大的多，在 stress 12000 後 VTH的偏移: 正偏壓設定(Vgp) +2Volt

的偏移為-12.9mV，正偏壓設定(Vgp)為 +1Volt 的偏移為-14.6mV， 正偏壓設定(Vgp)為 0Volt 的偏移為-16.0mV。

4.2.5 氮離子對 CHC 的影響

Channel Hot-Carrier (CHC)[54]，【圖 4-43】與 NBTI 不同之處 是加上了汲極偏壓(Vd)不為零，這個偏壓的作用是使得在通道中的 載子獲得能量，而在通道中流動，而熱載子在通道中流通時，有部分 的載子會穿過閘極介電層流到閘極，並且對閘極介電層造成損害，造 成電性的衰落【圖 4-44】。 【圖 4-45、4-46、4-47、4-48】為複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘 極介電層和二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離 子佈植的 VTH 與 Gm 偏移，圖中可以看出比起 NBTI 的偏移來， CHC-stress 所造成的 VTH的偏移比較小，但是氮離子劑量越大時卻會 使 VTH 的偏移變小，這個結果剛好與 NBTI 的結果相反，我們推測 CHC-stress 時 其 實 NBTI 也 有 部 分 作 用 ， 此 時 稱 之 為 NBTI-enhance-CHC-stress，而其 VTH 的偏移比較小的原因是當加上 Vg=Vd=-4.3 volt 時，Vd 會使閘極介電層垂直電場變小，因此降低 了NBTI 效應的影響。

CHC 對於超薄閘極介電層的可靠性測量的重要性已漸漸被 NBTI

所取代，而且在通道熱載子效應中的 NBTI-enhance-CHC-stress 也與

傳統的CHC-stress 造成的結果不同，因此在做通道熱載子效應的分析

上，應該也要導入 NBTI 效應的因素，如此才是在 stress 時所有發生

【圖 4-1(a)】各溫度的平均 VTH，分別在三種溫度（室溫、 75℃、 125℃）測量了通道長度為 1μm 的 MOSFET 各 10 點，以求得各個溫 度的平均VTH

L

_g

=1

µm

Wafer N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 D ry ox N2+e15 con trol V TH (V ) -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 room 75 oC 125 oC

【圖 4-1(b)】各溫度的平均VTH，分別在三種溫度（室溫、75℃、125 ℃）測量了通道長度為 10μm 的 MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度 的平均VTH L_g=10µm Wafer N2+ E 13 N2+ E 14 N2+ E 15 Dry ox No N2 D ry ox N2+ e15 cont ro l VTH (V ) -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 room 75 oC 125 oC

【圖 4-2】平均 Gmmax，分別在三種溫度（室溫、75℃、125℃）測量 了通道長度為 10μm 的 MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 Gmmax

L

_g

=10

µm

Wafer N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 D ry ox N2+e15 con trol Gm li n (µ s) 30 35 40 45 50 55 60 65 room 75 oC 125 oC

【圖 4-3】在室溫下 N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層

與 Dry ox N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上

佈植相同濃度劑量為 N2+ 1×1015的氮離子V_TH的偏移

Room temperature NBTI E

_ox

= -15MV/cm

Time 0 2000 4000 6000 8000 10000 ∆ V TH (mV) -20 -15 -10 -5 0 N₂+ 1x1015 Dry ox N₂+ 1x1015

【圖 4-4】在室溫下 N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層

與 Dry ox N2+ 1×1015：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在閘極上

佈植相同濃度劑量為 N2+ 1×1015的氮離子的Gm_max的偏移

Room temperature E

_ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 ∆ Gm/Gm(%) -4 -3 -2 -1 0 N₂+ 1x1015 Dry ox N₂+ 1x1015

【圖 4-5】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV

NBTI stress 10000 秒後 VTH的偏移，氮離子劑量越大則VTH的偏移

越大

Room temperature NBTI E

_ox

= -15MV/cm

Time 0 2000 4000 6000 8000 10000 ∆ V TH (mV) -20 -15 -10 -5 0 N2+ 1x1013 N2+ 1x1014 N2+ 1x1015 Control

【圖 4-6】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV

NBTI stress 10000 秒後Gmmax的偏移

Room temperature E

_ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 ∆ Gm/Gm(%) -4 -3 -2 -1 0 N₂+ 1x1013 N₂+ 1x1014 N₂+ 1x1015 control

【圖 4-7】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV

NBTI stress 10000 秒後 VTH的偏移，氮離子劑量越大則VTH的偏移

越大

Room temperature NBTI E

_ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 ∆ V TH (mV) -20 -15 -10 -5 0 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+ 1x1015

【圖 4-8】二氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在室溫 -15MV

NBTI stress 10000 秒後的Gmmax偏移

Room temperature E

_ox

= -15MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 ∆ Gm/Gm(%) -3 -2 -1 0 Dry ox No N₂ Dry ox N₂+1x1015

【圖 4-9】氮氧化矽閘極介電層不同劑量的氮離子佈植在 125℃

-14MV NBTI stress 10000 秒後的VTH偏移

125

o

C NBTI E

_ox

= -14MV/cm

Stress Time (sec)

0 2000 4000 6000 8000 10000 ∆ V TH (mV) -40 -30 -20 -10 0 N₂+ 1x1013 N₂+ 1x1014 N₂+ 1x1015