The Process Developement of Nitrided and Fluorinated High-K Gate Dieletrics and Applications of Novel Metal Nano-Crystal Devices

由於元件的縮小趨勢，傳統材料的應用漸漸不符合ITRS Roadmap 的需求，針對高介電係數材料、金屬閘極與記憶體元件等，有下列問題仍待克服:(1). 金屬閘極材料: 熱穩定性、功函數的匹配和費米能階pinning 效應等等。(2). 高介電係數材料: 熱穩定性、介面層 (interface layer) 的品質控制、遲滯效應、電荷捕捉效應、費米能階pinning 效應和低通道電子或電洞遷移率等等。(3). 快閃記憶體元件: 資料讀寫的速度、保存的時間、可存取的電荷數等等。對於上述缺點，本計畫將逐步探討，並提出新穎的製程，以改善元件的特性並以解釋其中的機制為目的，計畫中關鍵的技術主要分為氟化及氮化的部分，而關鍵的製程設備為Decoupling Plasma Nitridation (DPN), Atomic Layer Deposition (ALD)等，分別對MOS 結構中不同的步驟進行模組分析，最後再整合MOSFET 元件，更進一步探討元件的電性。本計畫高介電材料以HfO2 與Al2O3 為主，而金屬閘極材料以HfN、TiN 及TaN 研究為主，目前已經有初步的結果，接續提供具有新穎性與前瞻性的研究重點說明如下:(一) Metal Gate (HfN、TiN 與TaN) 氟化與氮化製程開發與特性分析:1. 尋找電阻率及功函數的最佳製程參數及氮化與氟化之相關性2. 利用氮化與氟化進行功函數的調變3. 在金屬閘極表面利用電漿或是離子植入的方式氟化或氮化改變金屬pinning 的位置4. 在高介電材料/金屬閘極的介面利用電漿或是離子植入的方式氟化或氮化5. 金屬奈米晶格功函數調變以增加記憶體資料保存時間(二) HfO2 的氟化與氮化製程開發與特性分析:1. NH3 與N2O 之 DPN 處理對於HfO2 與ALD Al2O3 之影響2. 在矽表面利用電漿或是離子值入的方式氟化或氮化3. 在高介電材料表面或高介電材料/金屬閘極的介面利用電漿或是離子植入的方式氟化或氮化4. ALD Al2O3 之氟化及氮化製程開發5. 氟化或氮化對於HfO2 與ALD Al2O3 熱穩定性之改善(三) 金屬閘極與高介電絕緣層之MOSFET 與快閃記憶元件製程開發與特性分析:1. 在金屬閘極電晶體與高介電係數材料電晶體做DPN 處理2. 氮及氟處理對金屬奈米晶格快閃記憶體元的製程開發3. 金屬奈米晶格之spacer 應用在新穎快閃記憶元件4. 對稱性之金屬奈米晶格低寫入快閃記憶元件5. 非對稱性之金屬奈米晶格低寫入快閃記憶元件

Project ID:PB9508-4031
External Project ID:NSC95-2221-E182-060