第四章、 結果與討論
4.1 光譜波長選定
以壓力為10 mt，功率為 500 瓦，氮氣為 300 sccm 和時間為 35 秒的標 準製程條件下，從250 nm 到 650 nm 的全光譜掃描圖譜中選出光譜訊號較 強之波長，再以波段穿越濾光鏡 (Band pass filter)過濾出這些特定波長，再 試著以OES 在前述標準製程條件下訊號強度與氮濃度作相關性分析。圖 4-1 所示為此製程從波長250 nm 到 850 nm 全波段的圖譜。表 4-1 為選定的光譜 波長。
圖4-1 標準製程下高解析度全波段光譜圖
表4-1 光譜波長的選定表
Channel # Wavelength (nm) Species 1 337.03 Nitrogen Radical
2 357.38 Nitrogen Radical
3 391.28 Nitrogen Ion 4 590.43 Nitrogen Radical 5 601.31 Nitrogen Radical
4.2 實驗設備安裝
如圖4-2 所示將光纖安裝在製程反應室的側壁上，用以收集電漿放射輝 光，在經過波段穿越濾光鏡篩選出特定波長後經由OES 總承，作能量與電 子訊號轉換。經由電腦讀取後，以此作為實驗上量化的數據。
OES Port
OES assembly OES Port
OES assembly
圖4-2 系統安裝示意圖 4.3 相關製程之穩定性
由於集束型設備之故，此一整合製程除電漿氮化製程為主要研究標地外
還包含了基底氧化層、成長後氮化回火製程和多晶矽閘極沉積製程，為確 保實驗結果不被前後製程所影響，前後製程的厚度重複性必須在實驗前作 確認。表 4-2 與表 4-3 分別為電漿氮化集束型設備前後相關製程的條件與 製程結果的重複性，實驗結果顯示三個製程在晶圓與晶圓（Wafer to Wafer, WtW）的不均勻性（Non-Uniformity, NU）皆能達到小於 1%的標準差百分 比。
4.4 光譜訊號強度的穩定性
OES Intensity Stability
0
Channel 1 = 337.03nm Channel 2 = 357.38nm Channel 3 = 391.28nm Channel 4 = 590.41nm Channel 5 = 601.31nm
圖4-3 光譜訊號強度的穩定性
表 4-4、各波長訊號變化的標準差
Channel # Wavelength (nm) Standard Deviation
1 337.03 9
2 357.38 8
3 391.28 1
4 590.43 10
5 601.31 4
4.5 光放射光譜與二氧化矽層中氮濃度的相關性
此實驗以9 個不同的氮濃度樣本與其在電漿氮化閘集製程時各個波長 所收集到的OES 訊號強度作分析，圖 4-4 到 4-8 分別表示各波長之關聯。
從表 4-5 對各波長與氮濃度的相關性（correlation）與靈敏度（sensitivity）
所作的比較可知，Channel#1-Channel#3 有大於 0.5 的 Rsquare，
Channel#4-Channel#5 的 Rsquare 較差，皆小於 0.4。就靈敏度而言
Channel#1 又有著最高的斜率 214；換言之，單位氮濃度的變化，Channel#1 有最大的 OES 訊號變化。於是得到的結論是，Channel#1 有著對氮濃度最好 的關係與最敏感的變化。在接下來的應用上，我們將以此訊號來作為對電 性最佳化的指標。
Channel 1 (W.L.=337.03nm)
Nitrogen atomic %
OES intensity
圖 4-4 光放射光譜 Channel#1 與氮濃度的關係
Channel 2 (W.L.=357.38nm)
y = 65.055x + 2313
Nitrogen atomic %
OES intensity
圖 4-5 光放射光譜 Channel#2 與氮濃度的關係
Channel 3 (W.L.=391.28nm)
y = -0.0949x + 503.3 R2 = 0.7126
501.0 501.5 502.0 502.5 503.0
10.6 10.8 11 11.2 11.4 11.6 11.8
Nitrogen atomic %
OES intensity
圖 4-6 光放射光譜 Channel#3 與氮濃度的關係
Channel 4 (W.L.=590.43nm)
y = -0.0935x + 1613.3 R2 = 0.3695
1611.5 1612.0 1612.5 1613.0
10.6 10.8 11 11.2 11.4 11.6 11.8
Nitrogen atomic %
OES intensity
圖 4-7 光放射光譜 Channel#4 與氮濃度的關係
Channel 5 (W.L.=601.31nm)
Nitrogen atomic %
OES intensity
圖 4-8 光放射光譜 Channel#5 與氮濃度的關係 表 4-5 氮濃度與各波長的相關性和靈敏性比較表
Channel# Wavelength (nm) Rsquare Correlation Slop Sensitivity 1 337.03 0.9756 Excellent 214 Excellent
節所得到的結論：光放射光譜訊號與氮濃度有著良好的線性關係，於是合
由4-4 節的結論得知 channel#1（波長 337.03）與氮濃度有最佳關聯性與靈 敏性。所以在對電性的分析上我們僅針對channel#1 來作關聯以得到最佳的
d：物理厚度(physical thickness)
k：為介電常數
當氮濃度越高時氮氧化矽特性從遠離SiO2而越接近Si3N4。又由表4-6 得 知，Si3N4比SiO2有較高的k值，所以越高的氮濃度會得到越小的EOT。結合 4-4 節OES與氮濃度關係的結論，圖 4-10 與圖 4-11 所示，EOT與OES的訊
號成反比的關係符合式4-1 的關係式。
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
y = -1928.7x + 5567.3
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
EOT NMOS - Normalized
OES Intensity
下
限
上 限
圖4-9 光放射光譜與等效氧化層厚度的相關性-NMOS Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
y = -2745.4x + 6363.7
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
EOT PMOS - Normalized
OES Intensity
表4-6 SiO2與Si3N4的特性比較
Properties SiO2 Si3N4
Structure Amorphous Amorphous Density (g/cm3) 2.2 3.1 Refractive Index 1.46 2.05 Dielectric Constant 3.9 7.5 Dielectric Strength (V/cm) 107 107 Energy Gap at 300K (eV) 9 approx. 5.0
4.6.2 光放射光譜與臨界電壓的相關性
臨界電壓就具體的意義而言，是MOSFET 中井區（well）形成反轉層
（Inversion layer）所需的電壓值，如圖 4-12 所示。以 n 型半導體為例來看，
當外加正偏壓大於臨界值時，會使原來 p 型半導體的部分轉變成 n 型，而 讓電子積聚在半導體層和氧化層間而行成通道。
經由電漿氮化製程置入閘極介電層的氮會在矽基底與閘極介電層的介 面形成Donor like 的 fixed charge[30]。由於 NMOS 為 p 型的井區，這造成 臨界電壓的降低，而由於PMOS 為 n 型的井區,這造成臨界電壓的增加。換 言之，愈高的氮濃度將造成NMOS 與 PMOS 的臨界電壓分別減少與增加。
綜合4-4 節光放射光譜與氮濃度關係的結論，圖 4-12 與圖 4-13 顯示實驗的 結果符合理論上的預期。
Gate oxide
Source n+ Drain n+
P-well
圖 4-11 MOSFET 中逆轉層的示意圖
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
y = -2340.6x + 5940.6
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
Vt NMOS - Normalized
OES Intensity
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
Vt PMOS - Normalized
OES Intensity
EOT
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
Idsat NMOS - Normalized
OES Intensity
下
限 上
限
圖4-14 光放射光譜與汲極飽和電流的相關性-NMOS
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
y = 2286.4x + 1313.6
0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
Idsat PMOS - Normalized
OES Intensity
4.6.4 光放射光譜與閘極漏電流的相關性
閘極漏電流在MOSFET 元件中的大小可以用式 4-5 來表示。
) exp(
2 )
exp( 2 d b ph d ph ox
g q m T V
m T
J Φ ⋅
−
∝ h h 2Φb 式(4-5)[30]
Tph：物理厚度
Md：穿透質量
φb：矽與介電層間的位能障
Vox：施加於介電層上的電壓
ph b
d T
m Φ
由式4-5 可知閘極漏電 流與的變化量有關。從表4-6 得知 Si3N4 的帶溝（band gap）較 SiO2 小所以當氮濃度增加時φb 將減少；但是 在圖4-16 與 4-17 並未見到如此的結果，這或許與氮濃度變化時穿透質量亦 隨之改變而抵消了閘極漏電流的變化量有關。
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
Jg NMOS - Normalized
OES Intensity
Channel 1 Nitrogen (W.L.=337.03nm)
y = 1221.1x + 2378.9
0.900 0.950 1.000 1.050 1.100
Jg PMOS - Normalized
OES Intensity
4.7 電性參數的最佳化
綜合4.6.1 到 4.6.4 節 OES 對各電性參數關聯性的結論，加上各電性參 數在CMOS 晶圓製造時所規範不得超過上下 5%的限制。我們利用 OES 的 訊號強度來找出最適製程區間。表4-6 列出在本實驗的標準製程下，各電性 參數最適訊號強度區間。
表 4-7 OES 訊號強度與電性參數的關聯與最佳區間
NMOS PMOS Index
Rsquare
Optimized OES
intensity Range Rsquare
Optimized OES intensity Range EOT 0.84 3590~3700 0.92 3460~3710
Vt 0.94 3466~3713 0.92 3425~3770 Idsat 0.70 3473~3727 0.16 N/A
Jg 0.36 N/A 0.14 N/A
第五章、結論
當元件的閘極氧化層持續下降至2 nm，如何增加運作的時脈與降低高 功率的消耗已經成為元件製程最具挑戰的問題。在更先進的高介電常數介 電層與金屬閘極達到簡易與具高成本效益的量產技術前,有效解決這些問題 的方法之一為引進氮進入閘極氧化層。氮的引進將使相同等效氧化層厚度 的閘極絕緣層具有較厚的物理厚度而減少其穿隧電流，並同時可有效地抑 制硼的擴散。電漿氮化製程由於具備單晶圓技術以及多製程整合能力，不 同於其他的閘極氮氧化技術，而能產生精確的氮離子分佈控制，此實驗主 要提供了一個改善此主流製程技術在量產上的問題。
經本研究利用OES 的強度來間接預測電漿氮化閘極製程反應下，二氧 化矽中氮的含量與製程最佳化。結果，獲得以下的結論:
1. 在波長337.03nm 的光譜訊號與氮濃度有著最好的相關性。
2. 此製程的氮濃度推測應該主要由波長337.03nm Nitrogen radical 所 貢獻。
3. 光譜訊號強度與電性參數如等效氧化層厚度，汲極飽和驅動電流和 臨界電壓有合理的線性關係存在。
4. 光譜訊號強度、電性參數與氮濃度在變化的趨勢上符合理論上的推 測。
5. 由於光譜訊號強度與電性參數有相關性，因此利用光譜訊號可以對
電性參數找出最佳化的區間。
6. 此預測之方法具有即時與簡單之優點。
參考文獻
[1] Nouri, F. Kher, S. Narwankar, P. Sharangpani, R. Muthukrishnan, S. Kraus, P.
Ahmed, K. Olsen, C. Thai Cheng Chua Cruse, “Trends in gate stack
engineering”. Integrated Circuit Design and Technology, pp. 275-281, 2004.
[2] G. Higashi, T. Lill, “Challenge from 90nm Front End of Line”, EETimes, 2003.
[3] International Technology Roadmap for Semiconductors, Front End Processes, pp. 70-71, 2005.
[4] J. H. Lee, Y. S. Suh, H. Lazar, R. Jha, J. Gurganus, Y. Lin, V. Misra,
“Compatibility of dual metal gate electrodes with high-k dielectrics for CMOS”, IEDM, 2003.
[5] R. B. Beck, A. Jakubowski, “Ultrathin oxynitride films for CMOS
technology”, Journal of Telecommunications and Information Technology, pp.62-69, 2004.
[6] 余昱穎，陳經緯，簡昭欣，“在具有超薄（EOT=1.6 nm）氮化閘極氧化 層之0.13μm n 型金氧半電晶體中由熱電子所引發於閘極絕緣層內之電 子捕獲現象＂，奈米通訊，第十一卷，第四期，pp. 6-10,民國九十二年。
[7] E. Ibok, K. Ahmed, M. Y. Hao, B. Ogle, J. J. Wortman, and J. R. Hauser,
"Gate quality ultrathin (2.5 nm) PECVD deposited oxynitride and nitrided oxide dielectrics", IEEE Electron Device Lett., vol. 201, no. 9, pp. 442-444, Sept. 1999.
[8] C. H. Chen, Y. K. Fang, C. W. Yang, S. F. Ting, Y. S. Tsair, M. C. Yu, T. H.
Hou, M. F. Wang, S. C. Chen, C. H. Yu, and M. S. Liang,
"Thermally-enhanced remote plasma nitrided ultrathin (1.65 nm) gate oxide with excellent performances in reduction of leakage current and boron diffusion", IEEE Electron Device Lett., vol. 22, pp. 378-380, Aug. 2001.
[9] Y. Wu, Y. M. Lee, and G. Lucovsky, "1.6 nm oxide equivalent gate dielectrics using nitride/oxide (N/O) composites prepared by RPECVD/oxidation
process", IEEE Electron Device Lett., vol. 21, no. 3, pp. 116-118, Mar. 2000.
[10] N. Kimizuka, K. Yamaguchi, K. Imai, T.Iizuka, C. T. Liu, R. C. Keller, and T.
Horiuchi, "NBTI enhancement by nitrogen incorporation into ultrathin gate
oxide for 0.1-µm gate CMOS generation", VLSI Tech. Dig., pp. 92-93, 2000.
[11] H. S. Momose, T. Morimoto, Y. Ozawa, K. Yamabe, and H. Iwai, "Electrical characteristics of rapid thermal nitrided-oxide gate n- and p-MOSFET's with less than 1 Atom% nitrogen concentration", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 41, no. 4, pp. 546-552, April, 1994.
[12] H.-H. Tseng, Y. Jeon, P. Abramowitz, T. Luo, L. Hebert, J. J. Lee, J. Jiang, P.
J. Tobin, G. C. F. Yeap, M. Moosa, J. Alvis, S. G. H. Anderson, N. Cave, T.
C. Chua, A. Hegedus, G. Miner, J. Jeon, and A. Sultan, "Ultra-thin decoupled plasma nitridation (DPN) oxynitride gate dielectric for 80-nm advanced technology," IEEE Electron Device Lett., vol. 23, no. 12, pp. 704-706, Dec.
2002.
[13] K. C. Chen, H. H. Shih, C. Hsueh, H. Chung, S. Pam, C.Y. Lu, C.W. Chou and S. S. Chen, "Cycle Time and Process Improvement by Single Wafer Thermal Processing in Production Environment," presented at the 10th International Conference on Advanced Thermal Processing of
Semiconductors RTP 2002, September 2002.
[14] P.A. Kraus, et. al, "Low-energy nitrogen plasmas for 65-nm node oxynitride gate dielectrics: a correlation of plasma characteristics and device
parameters", Symposium on VLSI Technology, 2003.
[15] Hegedus Andy, OLSEN Chris S. ,KUAN Nolan, Madok John, “Clustering of plasma nitridation and post anneal steps to improve threshold voltage
repeatability”, IEEE Transaction on Semiconductor Manufacture, vol. 16, pp.165-169, 2003.
[16] Edwin T. Carlen and Carlos H. Mastrangelo, “Statistical Model for Spatial Correlation in Thin Film Deposition and Reactive Growth”, IEEE
Transactions on Semiconductor Manufacturing, vol. 11, no. 3, Aug. 1998.
[17] A. M. Acevedo, G. Francisco, “On the Thermal Re-Oxidation of Silicon Oxynitride”, Material Research Society, pp. 22-28, 1998.
[18] 陳家富， “電漿與薄膜製程技術手冊”, 民國九十四年九月。
[19] 張家豪，魏鴻文，翁政輝，柳克強, “電漿源原理與應用之介紹” ，物理 雙月刊，廿八卷二期，民國九十五年四月。
[20] M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, “Principles of Plasma Discharges and Materials Processing”, John Wiley & Sons, 1994.
[21] G. L. Weissler, “photoelectric emission from solids”, Handbuch der physic, 21, pp. 342-382, 1956.
[22] Hamamatsu Photonics K. K., “Photomultiplier Tube Handbook”, Feb. 2006.
[23] H. Bruining, “Physics and Application of secondary electron emission”, 1954.
[24] A. Velosol, FN Cubaynes, A. Rothschild, S. Mertensl, R. Degraevel, R.
O’Connor, “Ultra-thin Oxynitride Gate Dielectrics DPN for 65nm”,
Extended Abstracts of International Workshop on Gate Insulator, pp.140-145, 2003.
[25] 潘扶民，”半導體材料分析講義＂, 民國九十五年六月。
[26] H. H. Tseng, Y. Jeon, P. Abramowitz, T. Y. Luo, L. Hebert, J. J. Lee, J. Jiang, P. J. Tobin, G. C. F. Yeap, M. Moosa, J. Alvis, S. Anderson, N. Cave, T. C.
Chua, A. Hegedus, G. Miner, J. Jeon, and A. Sultan, “Ultra-thin decoupled plasma nitridation” (DPN) oxynitride gate dielectric for 80-nm advanced technology," IEEE Electron Device Lett., vol. 23, no. 12, pp. 704-706, Dec.
2002.
[27] V M Donnelly, M V Malyshev, M Schabel, A Kornblit, W Tai, I P Herman and N C M Fuller, “Optical plasma emission spectroscopy of plasma used in Si-Based semiconductor processing”, Plasma Sources Sci. Technology 11, pp.
26-30, 2002.
[28] P.A. Kraus, et. al, "Low-energy nitrogen plasmas for 65-nm node oxynitride gate dielectrics: a correlation of plasma characteristics and device
parameters", Symposium on VLSI Technology, 2003.
[29] C. H. Chen, Y. K. Fang, C. W. Yang, "Thermally-enhanced remote plasma nitrided ultrathin (1.65 nm) gate oxide with excellent performances in
reduction of leakage current and boron diffusion," IEEE, pp. 124-128, 2003.
[30] C. Diaz, et. al., "Application-Dependent Scaling Tradeoffs and Optimization in the SoC Era", IEEE, pp. 475-478, Jun 2002.
[31] S.M. Sze, “Semiconductor Device Physics and Technology 2nd Edition”, 2001.
[32] Applied Material DPN process manual rev. 3, pp.36-42, 2004.
自 傳
來自嘉義縣新港鄉的小康家庭，家中成員五人，個人排行老么。早年 因父親為勞工階級所以家人皆以儉持家，現今兄弟皆已成家分居各處，但 每週末常有家庭聚會，共聚一堂。
大學就讀於中興大學機械系，在校期間除專業課目外，對校外活動也 多有參與。由於個性外向善於溝通，常代表系上參加校際公關活動與康輔 社團。工作多年後由於在職場上專業技能的需求，在公司的長官與家人的
大學就讀於中興大學機械系，在校期間除專業課目外，對校外活動也 多有參與。由於個性外向善於溝通，常代表系上參加校際公關活動與康輔 社團。工作多年後由於在職場上專業技能的需求，在公司的長官與家人的