第六章
二氧化鉿薄膜的崩潰機制和可靠度
6-1 緒論
本章量測並討論二氧化鉿薄膜的崩潰機制和可靠度，我們量測了二氧 化鉿電容的崩潰電場和在負偏壓操作下的可靠度，即時間相關介電層崩潰 測試(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)，並利用二氧化鉿場效電 晶體結合載子分離的方法來了解其崩潰機制並加以討論。
6-2 二氧化鉿電容的量測結果與討論
圖6-1 是 SC1 前處理和 RTO 前處理的二氧化鉿電容由 0V 掃到-10V 時，
閘極漏電流劇烈增加，即發生硬性崩潰(hard breakdown)時的崩潰電場統計 分佈圖，崩潰電場是由6-1 式的關係計算獲得:
CET V Ebd |Vbd − fb |
= (6-1 式)
圖 6-1(a)的結果顯示 SC1 前處理未退火的二氧化鉿電容其崩潰電場較 RTO 前處理未退火的二氧化鉿電容高，經過 600℃和 800℃退火後 RTO 前處理 二氧化鉿電容的崩潰電場反而較SC1 前處理二氧化鉿電容高(圖 6-1(b)(c))。
參考文獻[59]中指出，根據 6-2 式:
εoxEox=εHfO2EHfO2 (6-2 式) 當施加電場於絕緣層上時，二氧化鉿薄膜下方具有較低介電常數的二氧化 矽將會比介電常數較高的二氧化鉿承受較高的電場，以其介電常數來看其 電場大約相差 3~4 倍，因此他們相信這層二氧化矽在崩潰上扮演了主要的 角色，但是在沒有作任何詳細的實驗和分析前，我們仍然很難明確地了解
崩潰的主要是發生在二氧化鉿或是二氧化矽，後續的6-3 節對崩潰機制有詳 細的分析和討論。此外我們可以發現不論是SC1 前處理或是 RTO 前處理的 二氧化鉿電容，其崩潰電場皆隨著退火溫度升高而下降。
圖 6-2 是二氧化鉿薄膜在時間相關介電層崩潰測試(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)下，其崩潰時間的韋柏圖，測試方式是採用負 定電壓的方法，圖 6-2(a)顯示 SC1 前處理未退火的二氧化鉿電容在施加相 同的電場下，其崩潰時間較RTO 前處理未退火的二氧化鉿電容長，反之經 過600℃退火後 RTO 前處理的二氧化鉿電容即使比 SC1 前處理的二氧化鉿 電容施加更大的電場，但是其崩潰時間仍較 SC1 前處理的二氧化鉿電容長 (圖 6-2(b))，而經過 800℃退火後(圖 6-2(c))也是相同的結果，這和圖 6-1 二 氧化鉿薄膜的崩潰電場有著相同的趨勢。
6-3 式是韋柏分佈公式，其中F是累計失敗機率(cumulative failure probability)，TBD是發生崩潰的時間，α是當發生崩潰的百分比為 63.2%時的 崩潰時間，β則是韋柏分佈的斜率:
β
α ⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
− ⎛ −
= BD
BD
T T
F( ) 1 exp (6-3 式)
由6-3 式知道當我們作ln[-ln(1-F(TBD))]對ln(TBD)的關係圖時，圖形將會是一 直線，此直線的斜率就是韋柏斜率β，於是我們計算出了圖 6-2 中的β值並標 示在圖上，SC1 前處理與RTO前處理未退火的二氧化鉿電容其β值分別為 1.29 和 1.26，而SC1 前處理與RTO前處理經過 600℃退火的二氧化鉿電容其 β值分別為 0.85 和 0.74，SC1 前處理與RTO前處理經過 800℃退火的二氧化 鉿電容其β值分別為 0.82 和 0.87，我們發現經過退火後β值有下降的趨勢，
文獻[60]提出造成β值下降的原因是因為在低電場時外質崩潰模式的影響，
但 是 我 們 所 施 加 的 偏 壓 都 大 於 15MV/cm， 因 此 似 乎 並 不 是 外 質 崩 潰 (extrinsic breakdown) 模 式 的 原 因 ， 至 於 文 獻 [61] 中 提 出 軟 性 崩 潰 (soft breakdown)的β值會較硬性崩潰(hard breakdown)的β值低，並指出軟性崩潰 主要是發生在二氧化鉿下方的二氧化矽，而硬崩潰則是主要發生在二氧化 鉿介電層。圖6-3 是時間相關介電層崩潰測試時其漏電流隨施加定電場時間
的變化情形，可以看出未退火的二氧化鉿電容(圖 6-3(a))並沒有軟性崩潰出 現，而是直接發生硬性崩潰，至於經過600℃和 800℃退火後的二氧化鉿電 容(圖 6-3(b)和圖 6-3(c))，皆先發生軟性崩潰後再發生硬性崩潰，但是理論 上由於這層二氧化矽厚度相當薄，因此載子利用直接穿隧穿過的機會較 大，所以其崩潰機制應該主要還是二氧化鉿發生崩潰，而6-2 節將利用場效 電晶體結合載子分離的方法為此結論提供更有力的證據。
圖6-4(a)和(b)分別是 SC1 前處理和 RTO 前處理未退火的二氧化鉿電容 在施加定電場不同時間後的 C-V 曲線圖，我們發現隨著施加電場的時間增 加其 C-V 曲線皆向左移動，這表示發生了電洞捕捉的現象，另外經過長時 間施加定電場後其CV 曲線並沒有發生變形(distortion)的現象，這表示電洞 捕捉的現象主要發生在二氧化鉿中，而沒有額外的界面缺陷產生[62]。圖 6-5 是由圖 6-4 中計算出的平帶電壓對施加定電場時間的變化情形，可以看 出隨著時間增加，平帶電壓偏移因為電洞捕捉的緣故逐漸增加直到填滿所 有的缺陷而達到飽和，最後因為又產生新的缺陷所以使得平帶電壓偏移小 幅增加。
圖6-6 是 SC1 前處理和 RTO 前處理經過 600℃退火的二氧化鉿電容十 年工作期限操作電壓投射圖，圖中顯示 SC1 前處理經過 600℃退火的二氧 化鉿電容，其十年工作期限操作電壓約為-1.3V，而 RTO 前處理經過 600℃
退火的二氧化鉿電容，其十年工作期限操作電壓約為-2.5V。
6-3 利用場效電晶體結合載子分離分析崩潰機制
6-3-1 量測原理
其量測原理主要是利用金氧半場效電晶體(MOSFET)結構來進行量 測，示意圖如圖6-7，閘極的漏電流可以被分離出電子電流和電洞電流，矽 基板量測到的電流為電洞電流(Isub)，而汲極和源極所量測到的電流為電子電 流(IS/D)。
圖 6-8 顯示n型通道金氧半場效電晶體在負偏壓下的能帶圖，圖中源極 電流(source current)Js代表的是穿隧過二氧化鉿和二氧化矽的電子電流，而 井電流(well current)Jw代表的是穿隧過二氧化矽和二氧化鉿的電洞電流，因 此分別觀察電子和電洞電流在長時間偏壓下的變化，在負偏壓下Js突增代表 了二氧化矽崩潰，相反地Je突增代表了二氧化鉿崩潰。表 3-1 列出了在n型 和p型金氧半場效電晶體在正偏壓或負偏壓下，發生界面層(interfacial layer) 崩潰或本體崩潰(bulk breakdown)時，其源極電流和井電流變化量之間的關 係[63]。
6-3-2 結果與討論
圖 6-9 是二氧化鉿場效電晶體利用載子分離方法獲得電子和電洞電流 對閘極電壓的關係圖，其中矽基板量測到的電流Jw 代表的是由矽基板入射 穿隧過二氧化矽和二氧化鉿的電洞電流，而汲極和源極量測到的電流 Js 代 表的是由閘極入射穿隧過二氧化鉿和二氧化矽的電子電流，由圖6-9 我們知 道在負偏壓下，電洞電流遠大於電子電流且幾乎等於閘極電流，因此在負 偏壓下閘極電流主要是由矽基板入射穿隧過二氧化矽和二氧化鉿的電洞電 流，實驗條件下也顯示相同的結果。
圖 6-10 是二氧化鉿場效電晶體在負定電壓下作時間相關介電層崩潰測 試(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)的結果，我們利用了載子分 離的方法得到了在長時定電壓偏壓下，電子和電洞電流對偏壓時間的關 係，從圖上我們可以發現當發生崩潰時(閘極電流劇烈增加)，Js(電子電流) 大量增加，反之Jw(電洞電流)並沒有大量增加，由表 6-1 和圖 6-8 我們知道 只有當二氧化鉿發生崩潰時，Js(電子電流)才會大量增加，另外實驗結果並 沒有觀察到二氧化矽崩潰的現象，我們推斷電洞電流是以直接穿隧的方式 穿過二氧化矽，穿過二氧化矽後以Fowler-Nordheim穿隧機制通過二氧化 鉿，因此崩潰發生時電洞電流無顯著增加，實驗條件也是顯示相同的結果。
從以上的結果我們可以推斷發生崩潰的機制如圖 6-11 所示，首先在負偏壓
下由閘極入射的電子和由矽基板入射的電洞在二氧化鉿中被捕捉，而被捕 捉的電子和電洞加強了二氧化鉿的內部電場而導致二氧化鉿發生崩潰。
發生崩潰時是二氧化鉿崩潰，因此推論二氧化鉿退火後 β 值下降是因 為發生結晶化且因為結晶化不均造成，至於二氧化鉿退火後崩潰時間縮短 的原因是因為二氧化鉿結晶化造成晶粒邊界大量缺陷和斷鍵而使得二氧化 鉿容易發生崩潰[64]。所以 SC1 前處理未退火的二氧化鉿電容，其崩潰電場 和崩潰時間優於RTO 前處理未退火的二氧化鉿電容，表示其二氧化鉿的品 質較佳。但是經過退火後，由圖3-4(b)和圖 3-5(b)以及第四章所得到結論，
SC1 前處理經過退火後的二氧化鉿由於結晶情形較混亂，因此具有較多的 缺陷，至於RTO 前處理經過退火後的二氧化鉿結晶情形接近完美的複晶晶 相，所以具有較少的缺陷，這說明了 SC1 前處理經過退火後二氧化鉿崩潰 電場和崩潰時間皆較RTO 前處理經過退火後二氧化鉿差的原因。
