二氧化鉿閘極高介電質之依時性介電層崩潰機制研究

Abstract

本專題主要是研究以二氧化鉿(HfO2)為電容結構的介電層，經過不同溫度的快速熱退火處理，探討閘極漏電流(I-V)、電容-電壓(C-V)曲線分析、依時性介電層崩潰測試(time dependent dielectric breakdown，TDDB)及可靠度分析。 對於介電層崩潰機制的研究，專題中提出了介電層崩潰模型和載子傳導路徑模型。HfO2介電層相較於二氧化矽(SiO2)有較多的陷阱(traps)和缺陷(defects)。另外，HfO2與矽基板之間的介面層(interfacial layer，IL)有較小的介電常數，當施加電壓時，介面層(IL)所承受的電場較大，導致此區域介電層會先發生暫時性崩潰(soft breakdown，SBD)。持續施加電壓，此時在HfO2介電層中的陷阱(traps)、缺陷(defects)會越來越多，最後形成漏電流傳導路徑，導致漸進式崩潰(progressive breakdown，PBD)。在外加電壓於HfO2介電層中，推測可能因在介電層和閘極金屬氮化鉭(TaN)與介電層與矽基板兩界面間，所產生的介面層(interfacial layer)之內電場分佈不相同，導致在介電層中的陷阱、缺陷的產生速率不同，因此導致漏斗狀分佈的漏電流通道，最後整個結構發生永久性崩潰(hard breakdown，HBD)。