氮气热退火处理对矽氧化铪高介电质可靠度之研究.pdf

報告題名： 氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電 質可靠度之研究 Effects of N RTA Treatment on Reliability of 2 HfSiOX High-K Gate Dielectrics 作者：賴逸修 系級：電子四甲 學號：D9530185 開課老師：林成利 老師 課程名稱：專題研究(二) 開課系所：電子工程學系 開課學年：九十八學年度 第一學期 氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究 摘要 矽氧化鉿 (HfSiO 是目前最有希望用來取代二氧化矽) (SiO )材料 x 2 的選擇之一。本實驗將研究矽氧化鉿介電層經過氮氣環境下的快速熱 退火 (Rapid Thermal Annealing ，RTA)處理，並與未經過氮氣熱退火處 理的矽氧化鉿介電層做比較，探討其電性與可靠度分析。結果發現經 過氮氣熱退火處理後的元件，由於氧空位缺陷被修復，因此在電流電 壓（ I-V ）特性圖上，呈現較低的漏電流與較高的崩潰電壓(Voltage Ramp Dielectric Breakdown ，VRDB) 。同時也在電容對電壓(C-V)特性 圖上發現較小的遲滯現象與遲滯電壓 偏移量。最後藉由韋伯分佈 (Weibull Distribution)曲線預測，經過 N2 RTA處理後的元件具有較高 的 T 值，同時也有較佳的 TDDB可靠度。 BD63.2% 針對 HfSiO 崩潰機制的研究，依據 TDDB 特性圖推測，由於高 x 介電質內帶負電的電子電荷捕捉，使得漏電流隨著測試時間增長而有 降低的現象，當陷阱( Oxide Trap)產生，元件便伴隨著時間增加導致 永久性崩潰( Hard Breakdown ，HBD)。另外，經過高溫N2 RTA處理 後的 HfSiON 介電層，由於微結晶現象導致初期漏電流較高，當電子 捕捉行為發生後，便隨時間產生少數的暫時性崩潰(Soft Breakdown ， SBD )或漸進式崩潰 (Progressive Breakdown ，PBD) ，最後產生多數的 直接永久性崩潰現象。 i 逢甲大學學生報告 ePaper(2010 年) 氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究 最後本專題提出介電層的崩潰模式，在累積模式(Accumulation Mode)下，電子由閘極端注入，在高介電係數材料上產生缺陷，當缺 陷隨時間變多後產生漏電流路徑，最後大電流使高介電係數材料與介 面層同時發生崩潰。因此推測介電層的崩潰是先由高介電係數材料先 發生崩潰，緊接著發生介面層 (Interfacial Layer)崩潰。而此現象也是 造成 TDDB 特性圖上，崩潰發生時直接產生永久性崩潰的原因。 關鍵字 ：矽氧化鉿、依時性介電層崩潰、可靠度分析、崩潰機制