氮氣熱退火處理對矽氧化鉿高介電質可靠度之研究

Abstract

矽氧化鉿(HfSiOx)是目前最有希望用來取代二氧化矽(SiO2)材料的選擇之一。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TBD63.2%值，同時也有較佳的TDDB可靠度。 針對HfSiOx崩潰機制的研究，依據TDDB特性圖推測，由於高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。 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。