Development of 12A Oxynitride Gate Dielectrics by Different Processing Treatments and Study of Mechanism of Dynamic NBTI for Its P-MOSFETs

當互補式金氧化半導體元件尺寸不斷縮小，此時閘極介電層的可靠度和漏電流將會是限制持續縮小的因素。要形成高品質超薄閘極介電層是進一步克服縮小元件尺寸的關鍵技術，這裡有兩個重要的原因：一、為了要降低閘極複晶矽的空乏區效應，所以必須有較高濃度的硼參雜在閘極複晶矽可以降低這種效應，但是硼會穿透閘極複晶矽造成閘極氧化層可靠度的退化，為了解決此問題，在複晶矽/介電層界面必須要有高濃度的氮便可以減少硼的擴散，然而用傳統的方法去精確控制氮的濃度與分佈是有困難的，並導致氮累積在介電層/矽基材界面，使得這層氧化層可靠度的惡化。二、超薄氧化層容易發生直接穿透電流，因為氧化層厚度與漏電流成指數關係，而閘極漏電流會增加電源消耗和惡化元件的性能，所以需要高介電常數的材料來取代傳統二氧化矽氧化層減少閘極漏電流和保持閘極電容。然而，高介電常數閘極介電層與矽之間熱穩定和傳統互補式金氧化半導體製程的相容性都還需要克服。本計劃使用快速熱處理NO-nitrided oxide (RTNO)，遙控電漿nitrided oxide (RPN)，遙控電漿氮化N2O oxide和再快速熱處理以NO退火(N2O+RPN+NO)，與遙控電漿nitrided oxide與快速熱處理再氧化(ReoxRPN)等四種不同方法成長小於1.2nm超薄氮氧化矽閘極介電層與延伸它們的可靠度縮小限制。我們這裡顯示介面特性(包括有效通道移動率、矽基材界面平坦度和氮濃度在界電層與矽基材分佈)、閘極漏電流、電性可靠度(包括應力誘發漏電流、熱載子效應、負偏壓溫度不穩定)對四種不同小於1.2nm超薄氮氧化矽閘極介電層。負偏壓溫度不穩定可靠度退化的特性發生在P型金氧化半導體場發射電晶體在高溫和高的負偏壓閘極時，導致臨界電壓上升、極電流降低和轉換電導的下降。近年來有研究指出交流加壓(ac stress)的臨界電壓飄移比直流加壓還要小幾百至萬倍，但機制並不詳細。我們選擇最好超薄氮氧化矽介電層在厚度小於1.2nm閘極介電層，它具有良好界面、低漏電流與優秀可靠度。我們繼續探討P型金氧化半導體場發射電晶體的交流電的動態之負偏壓溫度不穩定可靠度分析，在不同頻率、週期、溫度、電壓和通道長度等條件研究。我們提出正電荷釋放與捕捉模型來解釋P型金氧化半導體場發射電晶體的交流電的動態之負偏壓溫度不穩定。

Project ID:PB9508-4034
External Project ID:NSC95-2221-E182-063