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低溫氧化層及垂直式複晶矽薄膜電晶體之研究

為了解決Nissan Ariya的問題，作者李名鎮 這樣論述：

本論文主要是研究低溫氧化層和垂直式複晶矽薄膜電晶體的特性。首先，我們研究以PECVD沉積的低溫氧化層在單晶矽上的特性。結果顯示300℃沉積的氧化層在經過950℃ N2O環境下的快速退火處理後擁有相當良好的特性。剛在低溫下沉積成的氧化層內部有相當多的不完全鍵結或是斷鍵。這使得在後續的N2O快速退火處理中，氮離子能夠輕易地進入氧化層內部並形成SiON的鍵結結構。這不但能夠將原先的斷鍵保護起來還能提升介電層的鍵結強度。由於這些缺陷的減少，使得電流在該氧化層中傳導的機制由缺陷主導的FP穿隧改良成FN穿隧。因此我們得到一個擁有絕佳特性的低溫TEOS氧化層。其崩潰電場可達到14 MV/cm，而崩潰電荷亦

到達83 C/cm2。這些特性甚至都比傳統的高溫氧化層好。 而當我們對這些低溫氧化層作交流的可靠度分析後，結果顯示在交流訊號分析下的崩潰時間都比在直流分析的情況下來的好。而隨著交流訊號的頻率升高，所量得的崩潰時間亦隨之增加。由氧化層內部缺陷分析的結果顯示這是由於在交流應力施加的同時所造成電洞缺陷的釋放和電子缺陷位置的向陰極移動所形成的結果。結果還顯示交流和直流分析所造成的電子缺陷數目幾乎相等。此外，在分析缺陷的過程中，我們還發現在經過應力施加的過程後再施以一個和所施加應力極性相反的小電流會提早引發類崩潰(quasi breakdown) 。藉著不同極性應力的交互施加，氧化層

內的缺陷分布會變廣而不再侷限於部分區域。這使得即使在氧化層厚度大於100 Å的情況下仍有機會促發類崩潰。這也給我們一個很重要的啟示-在兩極交流(bipolar)分析的情況下極有可能會使得類崩潰提早發生。這對類崩潰模型的建立有極大的幫助。 當這低溫氧化層沉積在複晶矽薄膜上時，我們發現在氧化層兩邊介面的電子穿隧能障經過N2O快速退火處理後會大幅地升高。經過快速退火處理後，其崩潰電荷比快速退火處理前的複晶矽氧化層高出兩位數而達到0.1 C/cm2。其崩潰電場亦達到10 MV/cm。此外，這些低溫複晶矽氧化層擁有相當高的基極穿隧電流和相當小的閘極穿隧電流。這對其在非揮發性記憶體上的

應用有極大的助益。 接下來，這些低溫氧化層和一般高溫氧化層分別被製作成垂直式的電容結構，並對其作分析比較。結果發現垂直式的氧化層都擁有比一般平面式的複晶矽氧化層高的崩潰電場和崩潰電荷。其崩潰電荷可大於10 C/cm2，這已經和一般長在單晶矽上的氧化層的品質不相上下了。這麼大的改善主要是由於在垂直方向上，複晶矽膜擁有較少的複晶矽顆粒邊界(grain boundary)所造成的。另外實驗結果還顯示，必要時加上犧牲氧化層的處理可以對後續的氧化層品質有所改善。而形狀上的邊角會影響其上氧化層的特性尤其是當該氧化層為低溫沉積的氧化層時。 最後，我們成功的利用準分子雷

射(excimer laser)和之前的結果作出一個短通道垂直式複晶矽薄膜電晶體。藉由準分子雷射在源極和汲極上的應用可以有效地壓抑雜質往通道內的重新分佈。壓迫性的導通(punch through)和短通道效應(short channel effect)都明顯受到控制。至於準分子雷射在通道上的應用，準分子雷射可以藉由將元件傾斜一個角度來加強其效果，甚至可以將整個垂直通道完全溶化並再結晶。垂直式複晶矽薄膜電晶體的載子移動能力(mobility)可以達到157 cm2/Vs，導通和關閉電流的比例(on/off ratio)可達到3.09E+06，而次臨界擺幅(subthreshold swing)降

至190 mV/dec。成功的垂直式複晶矽薄膜電晶體製作對將來積體電路密度的提高和3-D元件的製作都有想當大的幫助。