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氟鈍化製程與氮氧化層於高介電常金氧半場效應電晶體與快閃記憶體的特性研究

為了解決gas furnace manufact的問題，作者謝智仁 這樣論述：

許多&;#63809;文&;#64038;證實&;#63930;氟鈍化製程可以改善元件的基本特性，如增加元件的操作電&;#63946;，提升遷移&;#63841;，也可以&;#64009;低閘極&;#63822;電&;#63946;，&;#63745;進一步改善&;#63930;元件在施加偏壓時的可靠&;#64001;。而本&;#63809;文所提出的氟鈍化製程為在元件製做完成後，再接續的PMD層時，由一般的氧化層更換成含氟&;#63978;子的氧化層 (FSG) ，而含氟&;#63978;子氧化層我們可以簡單的經由電漿增強式化學氣相沉積機台，在沉積氧化層的同時引入四氟化碳 (CF4) 的

氣體。再經由後續&;#63754;屬化製程結束後的熱製程 (Sintering) 將氟&;#63978;子從PMD層驅入閘極介電層&;#63789;改善元件特性。在元件完成後，經由材&;#63934;分析我們也證實&;#63930;，從XPS Hf4f的分析得知經過氟鈍化製程後Hf4f5/2與Hf4f7/2的Binding energy&;#64038;有明顯的變大。此乃因為氟&;#63978;子有效鈍化二氧化鉿高介電常&;#63849;材&;#63934;內的氧空缺與基板的表面缺陷，而導致較大的Binding energy，因此也提供&;#63930;較強的鍵結能&;#63870; (Hf-

F or Si-F)，諸如遷移&;#63841;衰退、次&;#63990;界擺幅、閘極&;#63822;電&;#63946;、閘極引起汲極&;#63822;電&;#63946;等，皆有明顯改善。此外也經由可靠&;#64001;測試分析，在正偏壓-溫&;#64001;效應 (PBTI) 測試上觀察到在電壓應&;#63882;破壞下，均有較小的&;#63990;界電壓的偏移、本體缺陷與界面&;#63994;態密&;#64001;產生而引起的元件&;#63847;穩定性，使得元件特性獲得改善及具有高&;#64001;穩定性的可靠&;#64001;呈現，而這些改善的原因就是&;#63789;自於氟離子

鈍化了高介電常數材料的本體缺陷及基板表面的缺陷狀態後產生的效果。一般應用於N型&;#63754;氧半場效應電晶體的單軸應變矽技術為在元件完成後，沉積一層具伸張應力 (tensile stress) 的氮化矽層，&;#63789;改善元件的遷移&;#63841;。在此我們提出於單軸應變矽元件製做前先將氟&;#63978;子佈植進入矽基板，讓氟&;#63978;子預先鈍化表面懸鍵而提供較強的鍵結能&;#63870; (Si-F)，來改善因沉積氮化矽層時產生過多的Si-H導致可靠度劣化的現象。元件製做完成後，&;#63847;&;#63809;是在固定閘極 (CVS) 或熱載子偏壓分析 (HCS)

的&;#63870;測下，&;#64038;可觀察到其可靠&;#64001;明顯的改善。然而在基本特性，如驅動電&;#63946;，並沒有如前述實驗在引進氟&;#63978;子後有明顯的改善現象，可以推&;#63809;為氮化矽層對元件產生應&;#63882;改善驅動電&;#63946;的現象遮擋&;#63930;氟鈍化技術於元件上對於基本特性的改善現象。近來許多研究以高介電常&;#63849;材&;#63934;&;#63789;取代SONOS的氮化矽捕捉層或二氧化矽阻擋層&;#63789;進一步改善元件的寫入速&;#64001;與資&;#63934;保存能&;#63882;。在我們製作以二

氧化鉿為SONOS非揮發性快閃記憶體的捕捉層 (SOHOS) 的同時，我們做&;#63930;相當多的氟鈍化製程於與&;#63754;氧半場效應電晶體的實驗，&;#64038;證實&;#63930;其改善的現象，並發現氟鈍化製程可以鈍化閘極介電層的氧空缺，所以閘極&;#63822;電&;#63946;可以被大&;#63870;改善，進一步經由Frenkel-Poole電&;#63946;導通機制分析，氟鈍化製程可以增加的高介電常&;#63849;材&;#63934;內的捕捉能階，由原本的淺捕捉能階 (shallow trap)，再經由氟鈍化後變為深捕捉能階 (deep trap)。因此我們將這

個現象應用於非揮發性快閃記憶體的捕捉層上，在沉積完二氧化鉿捕捉層後，再經由四氟化碳電漿處&;#63972;，將原本電荷儲存在淺捕捉能階變為儲存在深捕捉能階，因為當電子儲存在深捕捉能階時，相較於儲存在淺捕捉能階時較難逃&;#64037;，所以可以進一步改善記憶體的資&;#63934;保存能&;#63882;，由實驗的&;#63870;測的結果也驗證&;#63930;我們所提出的方法，確實改善&;#63930;記憶體的資&;#63934;保存能&;#63882;，但卻沒有影響到寫入與抹除的操作特性。穿遂氧化層在閘極堆疊式的快閃記憶體的資料保存能力上扮演著重要的角色，因此許多&;#63809;文研究

探討氮氧化層 (SiON) 與乾式氧化層 (Dry oxide) 做為穿遂層時的特性與可靠&;#64001;比較，而本次實驗我們先將氮氧化層製作於MOSFET，經由可靠度分析後可得到較低的介面&;#63994;態 (interface state) 與本體缺陷 (bulk defect) 漂移，進而將其運用於SOHOS非揮發性快閃記憶體元件上，並探討其SOHONS與SOHOS的寫入抹除特性，資&;#63934;保存能&;#63882;與元件耐久&;#63882;的測試。經由&;#63870;測分析結果顯示，將乾式氧化層&;#63745;換為氮氧化層後對於寫入特性上有些微的改善，但元件抹除速&;

#64001;卻稍微的&;#64009;低。進一步看到可靠&;#64001;的分析時，室溫&;#63870;測時的資&;#63934;保存能&;#63882;顯然在&;#63745;換為氮氧化層後有進一步的改善，而資&;#63934;保存能&;#63882;在&;#63870;測溫&;#64001;提高至125oC時改善現象&;#63745;為明顯，然而對於元件耐久&;#63882;的測試，均可看到&;#63864;種元件在經過10000次的寫入&;#25274;除特性後，其記憶窗口並沒有明顯的退化，而經過10000次的寫入抹除後，元件將遭受許多的損傷，因此以氮氧化層&;#63789;取代傳統

乾式氧化層&;#63745;可看到元件在經過10000次的寫入抹除後明顯提高了資料的保存能力，而傳統的乾式氧化層其資&;#63934;保存能&;#63882;&;#63745;無法達到十&;#63886;的要求。

十二吋矽晶圓在快速熱製程中溫度均勻性之研究

為了解決gas furnace manufact的問題，作者林森溥 這樣論述：

自1958年有積體電路工業以來，熱處理製程一直是業界控制改善相關材料結構特質及電子物理性質的最有效方法之一。近幾年，晶圓尺寸加大，微電子元件發展傾向於縮小積體電路線體尺寸，降低製程的加熱預算便成為當務之急。單片快速熱製程（Rapid Thermal Processing--RTP）即因應而生來取代無法滿足目前深次微米元件製程的傳統對流式高溫爐管。快速熱製程的瞬時加熱光源系統之輻射頻譜（波長及強度）若能與晶圓片之輻射吸熱性質相致，將大幅減低熱預算。在過程中，同一片晶圓上溫度是否均勻，一直是業界能否完全接受RTP的重要課題。如何設計出一能減緩晶圓上不均勻昇溫的快速加熱系統，乃是所有RTP設備製造

廠的一個最主要研發目標。 本文主要提出一種逆向模式之數值演算法以便能評估計算快速熱製程中使得晶圓上溫度均勻所需的最佳照射熱通量或邊緣的熱補償。本文係以矽為晶圓材料，考慮晶圓熱物理性質隨溫度而變化，並採用含未來(future-time)溫度演算法的逆解熱傳方法。一維模式及二維模式均有分析。一般RTP加熱爐，都先以調整晶圓邊緣的熱補償為主使得晶圓上溫度能夠均勻。因此，本文首先探討了使晶圓上溫度均勻之垂直及側向邊緣的熱補償。數值模擬採用晶圓上下兩邊都受到對稱而均勻的光源照射熱通量20 W/cm2，周圍環境溫度為27oC，晶圓從27oC被快速加熱至1097oC。除了300 mm直徑

(12吋) 厚度為0.725 mm之矽晶圓外，也討論100 mm直徑 (4吋) 厚度0.6 mm，150 mm直徑 (6吋) 厚度0.675 mm和200 mm直徑 (8吋) 厚度0.725 mm的矽晶圓。結果顯示，晶圓上溫度均勻所需的照射熱通量可直覺地、有效地經由此逆向模式評估計算出來。假若快速加熱系統能根據此逆向方法來動態控制晶圓上照射的熱通量，本文顯示晶圓上溫度的不均勻性將大大地降低。在以一維方法分析RTP的強度模式(intensity mode)時，對於100 mm，150 mm，200 mm和300 mm直徑的矽晶圓，在過程中，最大的溫差分別僅有0.184，0.385，0.655和

0.132oC；即使加進因溫度控制而產生之 0.7728oC至 3.864oC的溫度量測誤差，過程中最大的溫差亦分別僅有0.618，0.776，0.981和0.326oC而已。若以一維方法分析12吋直徑矽晶圓RTP的溫度模式(temperature mode)時，對於溫昇律100，200和300oC/sec，過程中最大的溫差分別為0.152，0.388和0.658oC；而以二維方法分析之，對於溫昇律100，200和300oC/sec，過程中最大的溫差分別亦僅為0.835，1.174和1.516oC；並發現溫度的不均勻隨溫昇律之增大而變大。 由於快速熱製程的加熱光源系統

只對矽晶片選擇性吸熱的特殊性，過程中改變加熱光源系統或晶圓片之輻射頻譜，可能在晶圓上產生不均勻的溫度分佈。本文應用傅氏轉換紅外線頻譜儀（FTIR）來量測RTP加熱系統中的加熱燈源的放射頻譜，以及矽晶圓在常溫中的熱輻射性質，此外，並對製程中所使用具高介電係數BST薄膜的矽晶圓，做其輻射性質的量測。 本文以逆向熱傳模式分析晶圓於快速熱製程的溫度均勻性之結果與方式，及輻射性質量測實驗得到之結果，對業界應能提供RTP設備製造最佳化的設計理念，並希望可以提供未來在此方面研究者的一項參考。