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研究生: 王文奕
論文名稱: 鋯掺入極薄氧化釔高介電係數閘極介電層之效應
The Effect of Zirconium (Zr) Incorporation in Ultra-Thin Y2O3 High-k Gate Dielectrics
指導教授: 劉傳璽
Liu, Chuan-Hsi
阮弼群
Juan, Pi-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 85
中文關鍵詞: 高介電係數氧化釔共鍍技術蕭基發射
英文關鍵詞: High-k, Y2O3, Zr, co-sputtering technique, Schottky emission
論文種類: 學術論文
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  • 本研究是將鋯加入氧化釔 (Y2O3+Zr)作為氧化層的高介電係數薄膜材料,並成功的製作出MOS電容器。由於氧化釔和其它高介電係數薄膜材料相比,釔很容易跟矽基板產生相互擴散的現象,而鋯本身不僅是高介電係數薄膜材料且鋯和矽之間,有良好的介面品質。並針對本實驗製作出來的MOS電容器的電性和物性做分析與探討。
    本研究沉積薄膜的方式是使用射頻共濺鍍技術,在常溫且充滿氬氣的真空腔體,將高純度的氧化釔和鋯之靶材,依照不同的條件濺射沉積在矽基板上,形成一層厚度7奈米的氧化釔/鋯薄膜,之後在充滿氮氣的真空腔體中,分別執行550 ℃、700 ℃和850 ℃的快速熱退火 (RTA),接著鍍上氮化鋯/鈦/鋁,製成閘極電極。最後再利用電流-電壓 (I-V)、電容-電壓 (C-V)、原子力顯微鏡 (AFM)和X光繞射儀 (XRD)等,分析探討氧化釔/鋯薄膜的電性和物性。
    研究結果顯示,氧化釔/鋯薄膜擁有良好的結晶溫度 (約850 ℃)、介電係數和低的閘極漏電流,在經過700 ℃的快速熱退火後,得到的相對介電係數為14.7,閘極漏電流方面,閘極注入電壓為-1 V時,漏電流大小約為10-5 ~ 10-6 A/cm2,基板注入電壓為1 V時,漏電流大小約在10-5 ~ 10-6 A/cm2,漏電流機制符合蕭基發射,其閘極和介電層間、介電層和矽基板之間的蕭基能障分別為1.15 eV及1.01 eV。

    In this study the Y2O3 integrated with Zr was regarded as high-k dielectric material for oxide layer and the MOS capacitance was successfully fabricated. Compared with others high-k dielectric material, the Y2O3 has inter-diffusion phenomenon with silicon. However the Zr is not only a high-k dielectric material but also a good quality of interface with silicon. The electrical and physical characteristics of the MOS capacitances were analyzed and discussed in this study.
    The high-k Y2O3 and Zr thin films (7 nm) were deposited by RF co-sputtering technique using highly pure Y2O3 and Zr as the sputtering targets in Ar ambient at room temperature, followed by RTA at 550, 700 or 850 ℃ in N2 ambient. ZrN/Ti/Al was then formed as the gate electrode. The electrical and physical properties of the capacitors were evaluated through I-V (current-voltage), C-V (capacitance-voltage), AFM, XRD.
    The results revealed that the Y2O3 and Zr thin films have satisfactory crystallization temperature (about 850 ℃), dielectric constant (EOT=1.86), and gate leakage current. The relative dielectric constant of the Y2O3/ Zr film is 14.7 after 700 ℃ rapid thermal annealing. The gate leakage current is 10-5-10-6 or 10-5-10-6 A/cm2 at a gate bias of 1 or -1 V, respectively. Moreover, the Schottky barrier height at the gate/oxide interface or oxide/p-Si interface is about 1.15 or 1.01 eV, respectively.

    第一章 緒論 1 1.1 閘極氧化層的物理極限 1 1.2 高介電係數材料 1 1.3 論文的研究方向 2 第二章 文獻探討 3 2.1 金-氧-半-場效應電晶體 3 2.1.1 MOSFET的起源 3 2.1.2 MOSFET的組成 5 2.1.3 MOSFET的操作方式 7 2.2 金-氧-半 電容器 9 2.2.1 MOS電容器的組成 9 2.2.2 MOS電容器的操作方式 10 2.2.3 MOS電容器的介面陷阱電荷 13 2.2.4 MOS電容器的漏電流機制 17 2.3 電容器之電容值 20 2.3.1 介電係數 20 2.3.2 閘極介電層條件 23 2.3.3 高介電係數材料 25 2.3.3.1 Al2O3 25 2.3.3.2 CeO2 26 2.3.3.3 La2O3 26 2.3.3.4 HfO2 26 2.3.3.5 ZrO2 26 2.3.3.6 Y2O3 27 第三章 實驗設計 43 3.1 研究動機 43 3.2 製程與物性量測儀器簡介 43 3.2.1 濺鍍機 (co-sputtering system) 43 3.2.2 快速退火爐 (RTA) 44 3.2.3 X光繞射儀 (XRD) 45 3.2.4 原子力顯微鏡 (AFM) 45 3.3 氧化釔電容器的製作 47 3.3.1 矽晶圓的前處理 47 3.3.2 薄膜沉積 47 3.3.3 快速熱退火 48 3.3.4 製作鋁電極 49 3.4 Y2O3電性與物性量測 51 第四章 實驗結果 53 4.1 Y2O3薄膜電容器基本性質量測分析 53 4.1.1 X-ray繞射分析 53 4.1.2 AFM分析 60 4.2 Y2O3薄膜電容器電性量測分析 64 4.2.1 I-V (電流-電壓)分析 68 4.2.2 C-V (電容-電壓)分析 71 4.3 Y2O3薄膜漏電流機制分析 74 第五章 結論與未來展望 79 5.1 結論 79 5.1.1 氧化釔電容器之物性 79 5.1.2 氧化釔電容器之電性 80 5.1.3 氧化釔電容器之漏電流機制 81 5.2 未來展望 81 參考文獻 82 表目錄 表2.1 常見到的電晶體型式 6 表2.2 高介電係數材料的介電係數、能隙和結晶溫度圖 42 表3.1 製做Y2O3+Zr/ Y2O3/Ti薄膜參數表 49 表3.2 製做Y2O3+Zr/ Y2O3/ZrN/Ti薄膜參數表 49 表4.1 各種結構的AFM粗糙度比較表 63 表4.2 各種結構和條件的介電係數和等效氧化層厚度表 71 表4.3 各製程條件下滿足蕭基發射之蕭基能障 75 圖目錄 圖2.1 真空管元件圖 3 圖2.2 點接觸式電晶體 4 圖2.3 電晶體示意圖 5 圖2.4 電容器示意圖 9 圖2.5 理想電容器能帶圖 10 圖2.6 金氧半電容器能帶圖和電荷分佈圖 (a) 聚積 (b) 空乏 (c) 反轉 12 圖2.7 四種氧化層陷阱電荷的存在位置 13 圖2.8 Deal Triangle (笛爾三角形) 15 圖2.9 四種閘極漏電流機制能帶圖 (a) 直接穿隧 (b) 傅勒-諾德翰穿隧 (c) 蕭基發射 (d) 普爾-夫倫克爾發射 17 圖2.10 平行板電容器示意圖 (真空中) 20 圖2.11 平行板電容器示意圖 (填滿絕緣材料) 21 圖2.12 高介電氧化層和傳統氧化層之漏電流比較圖 22 圖2.13 高介電材料的介電係數和能隙關係圖 23 圖2.14 各種材料的能隙值 24 圖2.15 MOS電容器之能帶圖 25 圖2.16 Zr-silicate/Si (100) 的TEM圖 ……………………...……………….27 圖2.17 Y2O3/Si (100) 的TEM圖 28 圖2.18 Y2O3在不同退火溫度下的C-V圖 29 圖2.19 Y2O3在不同退火溫度下的介電係數和遲滯現象改變量 30 圖2.20 Y2O3在不同退火溫度下的I-V圖 30 圖2.21 Y2O3/Ge (100) 的TEM圖 31 圖2.22 Y2O3/Ge (100) 的XPS圖 (a) Ge 3d 和 (b) Y 3d 32 圖2.23 Y2O3/Ge (100) 的C-V圖 32 圖2.24 YAlO薄膜的XPS圖 (a) Al 2p 和 (b) Y 3d 34 圖2.25 YAlO薄膜的成份比 34 圖2.26 不同成分比的YAlO薄膜的I-V圖 35 圖2.27 不同成分比的YAlO薄膜介電係數 35 圖2.28 Y2O3薄膜的C-V圖 36 圖2.29 Y2O3薄膜的I-V圖 37 圖2.30 Y2O3薄膜在不同溫度下的I-V圖 38 圖2.31 Y2O3薄膜在75 oC到150 oC滿足Schottky基板注入 39 圖2.32 Y2O3薄膜在75 oC到150 oC滿足Schottky閘極注入 39 圖2.33 Y2O3薄膜在75 oC到150 oC滿足Poole-Frenkel閘極注入 40 圖2.34 不同溫度的XRD圖 (a) 650 ℃ (b) 750 ℃ (c) 850 ℃ 41 圖3.1 濺鍍機示意圖 44 圖3.2 實驗設備 - 快速熱退火爐 44 圖3.3 XRD工作原理示意圖 45 圖3.4 AFM工作原理示意圖 46 圖3.5 實驗設備 - 共鍍濺鍍機 48 圖3.6 共鍍濺鍍機之操作介面 48 圖3.7 氧化釔電容器之製作流程圖 50 圖3.8 電容器Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si 結構示意圖 50 圖3.9 電容器Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si 結構示意圖 51 圖3.10 實驗設備 - Agilent E4980 52 圖3.11 實驗設備 - Agilent B1500A 52 圖3.12 實驗設備 - XRD 52 圖4.1 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 550 ℃的XRD圖 54 圖4.1 (b) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 700 ℃的XRD圖 54 圖4.1 (c) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 850 ℃的XRD圖 55 圖4.1 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (3 W)@ 550 ℃的XRD圖 55 圖4.1 (e) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (3 W)@ 700 ℃的XRD圖 56 圖4.1 (f) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (3 W)@ 850 ℃的XRD圖 56 圖4.1 (g) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 550 ℃的XRD圖 57 圖4.1 (h) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 700 ℃的XRD圖 57 圖4.1 (i) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 850 ℃的XRD圖 58 圖4.1 (j) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (9 W)@ 550 ℃的XRD圖 58 圖4.1 (k) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (9 W)@ 700 ℃的XRD圖 59 圖4.1 (l) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (9 W)@ 850 ℃的XRD圖 59 圖4.2 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 850 ℃的AFM圖 61 圖4.2 (b) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (3 W)@ 850 ℃的AFM圖 61 圖4.2 (c) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (6 W)@ 850 ℃的AFM圖 62 圖4.2 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si (9 W)@ 850 ℃的AFM圖 62 圖4.3 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的CDF-IV圖 65 圖4.3 (b) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的CDF-CV圖 65 圖4.3 (c) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@3 W的CDF-IV圖 65 圖4.3 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@3 W的CDF-CV圖 66 圖4.3 (e) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的CDF-IV圖 66 圖4.3 (f) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的CDF-CV圖 66 圖4.3 (g) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@9 W的CDF-IV圖 67 圖4.3 (h) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@9 W的CDF-CV圖 67 圖4.4 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的I-V圖 69 圖4.4 (b) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@3 W的I-V圖 69 圖4.4 (c) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的I-V圖 70 圖4.4 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@9 W的I-V圖 70 圖4.5 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的C-V圖 72 圖4.5 (b) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@3 W的C-V圖 72 圖4.5 (c) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W的C-V圖 73 圖4.5 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@9 W的C-V圖 73 圖4.6 (a) Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W, 850 ℃的變溫I-V圖 76 圖4.6 (b) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@3 W, 850 ℃的變溫I-V圖 76 圖4.6 (c) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W, 850 ℃的變溫I-V圖 77 圖4.6 (d) Al/Ti/ZrN/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@9 W, 850 ℃的變溫I-V圖 77 圖4.7 Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W, 850 ℃的Ln (J/T2)v.s.E0.5的圖 78 圖4.8 Al/Ti/Y2O3/Y2O3+Zr/Si@6 W, 850 ℃的Ln (J/T2)v.s.1000/T的圖 78

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