實驗儀器與實驗步驟

3-1 實驗儀器

3-1-1 元件備製設備 3-1-1-1 電極濺鍍系統

金屬濺鍍系統(metal sputter system)

原理:利用電漿(Plasma)反應沉積薄膜，所謂電漿是一種遭受部分離 子化的氣體(Partially Ionized)，濺鍍腔體內部結構分為陰極和陽極的 部分，在陰極板上放置靶材(Target)，陽極板上放置晶片(Wafer)，腔體 內通入所需製程氣體，在兩電極上施以電壓，當電極板間的氣體分子濃 度在某一特定的區間，電極板表面因離子轟擊(Ion Bombardment)所產生 的二次電子(Secondary Electrons)，在電極所提供的電場下，將獲得足 夠 的 能 量 ， 而 與 電 極 板 間 的 氣 體 分 子 因 撞 擊 而 進 行 所 謂 的 “ 解 離

(4) 這些被吸附(Adsorbed)在晶片表面的吸附原子(Adatoms)，將進 行薄膜的沉積。

儀器介紹︰本研究所使用之金屬濺鍍系統型號為:ULVAC Sputter

SBH-3308RDE。主要濺鍍金屬有Al、Cu、Ta。濺鍍過程中通入

直流電壓(DC Power)，最大直流功率為 3 KW；濺鍍時則以Ar、

N²為濺渡與反應氣體。基本真空能力(base pressure)約為 5X10^-7 torr，濺渡時工作壓力約 6X10^-3 torr。

儀器介紹︰本研究所使用之PE-CVD系統型號:STS MULTIPLEX CLUSTER SYSTEM。共有四個腔體可供使用，本研究主要利用電漿反 份，首先在濺射系統部份，當兩個電極之間接上射頻(Radio frequency，

RF)電源。製程氣體在射頻電源(13.56MHz)的交變電場作用下，氣體中的

電子隨之發生震盪而離子化。射頻電源下的陰極電位等效為一恆定負電

O2兩種製程氣體，工作壓力為10mTorr，基板昇溫範圍為常 溫至500℃。

原理:電漿增強式化學氣相沈積技術原理是使用電能產生低溫電漿

儀器介紹︰本研究所使用之PE-CVD系統型號:STS MULTIPLEX CLUSTER SYSTEM。共有四個腔體可供使用，本研究主要利用電漿反

(2)量測MIS電容的介質層相關參數，如氧化層厚度、Dit、電容值、

摻雜濃度等。

(3)量測介電層經熱及偏壓等外界應力作用後，其中可移動離子

（mobile ion）的量。

廠牌 : HP & Keithley

型號 : HP 4156A、Keithley 595、590

20GHZ元件高頻S參數量測系統

使用目的：量測元件在高頻時所表現出S參數的特性，進一步搭配模 擬軟體去分析出元件在高頻的特性。

系統規格及型號 : Hardware :

HP85122A（50MHz~20GHz）

1. Network Analyzer ( HP 8510C ) ‧頻率範圍：45MHz~20GHz 2. DC Source /Monitor (HP 4142B)

3. Synthesized Sweeper (HP 83621A) ‧頻率範圍：10MHz~20GHz 4. S-Parameters Test Set (HP 8514B) ‧頻率範圍：45MHz~20GHz 5.

Thermal Controller（Temptronic TP03000） ‧溫度範圍：-65~200

℃

Software： HP 85190A IC-CAP Modeling Suite

3-1-2-2 物性分析系統 場發射掃描式電子顯微鏡

原理：掃描式電子顯微鏡，其系統設計主要是由電子槍 (Electron Gun) 發射電子束，經過一組磁透鏡聚焦 (Condenser Lens) 聚焦後，用 遮蔽孔徑 (Condenser Aperture)選擇電子束的尺寸(Beam Size)後，通 過一組控制電子束的掃描線圈，再透過物鏡(Objective Lens) 聚焦，打

在試片上，主要產生二次電子 (Secondary Electron)、背向散射電子及 X-ray。藉由偵測二次電子訊號強度，即可完成試片表面造影工作。

儀器介紹︰本研究所使用之場發射掃描式電子顯微鏡型號:Hitachi S-400，加速電壓:55kV，電子槍:冷陰極場發射電子源。

穿透式電子顯微鏡

原理:主要是將鎢絲加熱到上千度後，電子經熱流跑出來加上電壓後形成 電子束往正極衝，經過很多個電磁場使電子聚焦及放大。最後呈像於螢 幕上。電子穿透力低，加速至60~100 kV的電子，只能透過一層非常薄 (150nm左右)的物質而不被完全吸附。故穿透式電子顯微鏡樣品的製備必 須很薄約60~80nm。

儀器介紹︰本研究所使用之穿透式電子顯微鏡型號機型：JEM-2010F，系 統主要分四個部份：(1) TEM主機, (2)電子能量損失譜儀(EELS), (3) 掃 描穿透式電子顯微鏡(STEM), (4) X射線能量散佈分析儀(EDS)。加速電 壓：200 kV，電子槍：場發射電子源，點分辨率：0.19 nm，線分辨率：

0.1 nm，放大倍率： 2,000倍～1,500,000倍，最大試片尺寸：2 × 2 mm²:

10-¹⁰m)，只要記錄掃描面上每一點的垂直微調距離，便可獲得樣品表面 的等交互作用圖像，進而推導出樣品表面特性。

儀器介紹︰本研究所使用之原子力顯微鏡型號：Veeco Dimension 5000 Scanning Probe Microscope (D5000)，最大平面掃描範圍：

150 × 150 μm²，最大高度掃描範圍：6 μm，最小解析度:~1.5 nm in X-Y;~Å in Z direction，雜訊：~RMS 0.5 Å，成像模 式：輕敲式(tapping mode)。

歐傑電子能譜儀(AES)

原 理 ： 歐 傑 電 子 能 譜 儀 (Auger Electron Spectrometer ， 簡 稱 AES。)，係利用一電子束激發試片表面，以造成表面原子發射歐傑電子 (Auger Electron)，當量測分析歐傑電子的特性動能後，便可研判表面 元素成分或其化學態。主要是用來分析由試片表面至內部之組成元素的 原子濃度(Atomic Concentration)與縱深分佈情形，即為縱深成分分析 (Depth Profiling)。

儀器介紹︰本研究所使用之歐傑電子能譜儀型號：VG Microlab 310F。

3-2 實驗步驟

3-2-1 基材之前處理 RCA 化學清洗

將 六 吋 晶 圓 經 由 標 準 的 RCA 程 序 清 潔 ， 已 清 除 晶 圓 表 面 的 微 粒 (particle)、金屬離子(metal ions)、油污(oil contamination) 、有 機物(organic)、及原生氧化層(native oxide)等，讓晶圓的表面達到非

常高的潔淨度，避免因為污染物及雜質影響到後續鍍膜品質。

高溫成長二氧化矽層

經由高溫濕式熱氧化法(thermal oxidtion)成長一層厚度為550nm的 SiO2，以去除基板效應和避免後續退火時金屬與Si交戶擴散產生的金屬 矽化物(silicide)。

3-2-2 底電極備製及處理 底電極製備

本研究底電極有二種結構分別為:

Electrode 1: TaN(50nm)/Al(300nm)/TaN(50nm) Electrode 2: TiN(50nm)/Al(300nm)/TiN(50nm)

底電極沉積系統使用金屬濺鍍系統與metal PVD:沉積TaN,Cu,與TiN 薄膜，沉積方式均為一次連續沉積三層結構，詳細沉積條件參數如下：

表一(a)、eletrode1之TaN薄膜沉積參數

Target Ta

Substrate Temperature RT(室溫) Base pressure 7X10^-7 Torr Working pressure 6m Torr

Working gas N/(N²+Ar)= 5%

DC Power 500W

表一(b)、eletrode1之Al薄膜沉積參數

Target Al

Substrate Temperature RT(室溫) Base pressure 7X10^-7 Torr Working pressure 6m Torr Working gas Ar

DC Power 1500W

表二(a)、eletrode2之TiN薄膜沉積參數

Target Ti

Substrate Temperature RT(室溫) Base pressure 5X10^-8 Torr Working pressure 5m Torr

Working gas N/(N2+Ar)= 66.6%

DC Power 8kW

表二(b)、eletrode2之Al薄膜沉積參數

Target Al

Substrate Temperature RT(室溫) Base pressure 7X10^-7 Torr Working pressure 3-5m Torr Working gas Ar

DC Power 15kW

底電極處理

本研究主要以氨氣電漿來處理底電極之阻障層，可修補電極阻障層濺 鍍過程中所產生的斷鍵以穩定電極之阻障層，減少鈦酸鍶鋇薄膜濺鍍時 中介層(interfacial layer)的厚度，而提升整體介電層之介電常數。使 用條件參數如下：

表三、氨電漿參數 Substrate Temperature 300 ℃ Working pressure 300m Torr Working gas NH³ 到最高，製程時間約為150分鐘薄膜厚度100nm。使用條件參數如下：

表四、沉積BST薄膜參數 Target Ba0,5Sr0.5TiO3

Substrate Temperature 450、500 ℃ Base pressure 2X10^-4 Torr Working pressure 10m Torr Working gas Ar

RF Power 160W

介電層處理

本研究依續對鈦酸鍶鋇薄膜進行常壓爐管退火、氧電漿處理，以提升整 體薄膜之品質。使用條件參數如下：

表五、爐管退火參數 Temperature 450℃

Working gas N2:O2=9:1(L/min)

Time 40 min

表六、氧電漿參數 Substrate Temperature 200 ℃ Working pressure 650m Torr Working gas O²

RF Power 100W

Time 10min

3-2-4 上電極備製 上電極沉積

上電極沉積前使用shadow mask先覆蓋住欲沉積部份，shadow mask 圖形為圓形，直徑分別為800、400、200μm，換算面積分別為0.00503 cm²、 0.00132 cm²、0.000314 cm²。再以金屬濺鍍系統沉積上電極。

如圖 3-1 所示，為本研究鈦酸鍶鋇薄膜電容備製、分析流程。圖 3-2

所示，為整體電容之結構與量測概要圖。 Substrate Temperature 60 ℃ Working pressure 5m Torr

Working gas

Ar/Cl² 耗損性(substrate loss)而失真、衰減；本研究採用探針每一個針間的 距 離 (pitch,Center-to-Center) 為 150mm ， 高 頻 電 容 製 備 流 程 詳 見 圖 3-3-1。

P-Type Si (100)

TaN500À/Al3000À/TaN500À

底電極電漿處理

Substrate SiO₂ Bottom electrodes

C-V、J-E

Bottom Electrode

Top Electrode

圖3-2.MIM電容結構量測概圖

1. Wafer STD clean.

2. Wet Oxide (10000À).

3. Depsited Bottom electrode.

(TiN500À/Al5000À/TiN500À) 4. Treatment Bottom electrode

NH³ plasma (10min)

5. Deposited BST dielectric layer (1000À)

6. Treatment Bottom electrode (1)O² plasma (10min)

(2)Annealing (40min)

7. Defined Via

8. Etching dielectric layer

9. Defined Top elecrode

10.Depsited Bottom electrode.

(TiN500À/Al5000À/TiN500À)

11.Finished MIM capacitor.

圖3-3.高頻元件製作流程圖

第四章 (低頻)實驗結果與討論

擷取圖4-1-1所示之(A)、(B) 位置，由圖4-1-2(a)、圖4-1-3(a)可知矽 晶片中間之BST厚度分別為61.9nm、102nm，換算得薄膜沉積速率約為 0.67nm/min，比較圖4-1-1(a)、(b)與圖4-1-2(a)、(b)可知，(A)、(B) 兩點厚度方面誤差約在3%之內，顯示BST薄膜均勻性在可接受範圍。

4-1-2 鈦酸鍶鋇蝕刻率分析

在6吋空白矽晶片上濺鍍BST100nm (詳細濺鍍條件如表四)，與分別 鍍有500nmTiN與500nmAl的矽晶片，一起進行光阻、顯影、蝕刻方式定義 出沒有被光阻遮敝的蝕刻圖案再進入乾蝕刻機台進行蝕刻，此時沒有被 光阻遮敝的蝕刻圖案會被蝕刻離子與氣體進行蝕刻，而有光阻覆蓋的區 域仍會維持原有厚度，最後移除光阻覆蓋區域的光阻，再以機台掃描沒 有光阻覆蓋區域與有光阻覆蓋區域之高度差，將穫得的高度差除以蝕刻

時間就可得到該蝕刻條件的蝕刻率，各條件BST、TiN、Al之蝕刻率如圖 4-1-2(a)所示，再分別計算各條件之BST/TiN、BST/Al的選擇比，如圖 4-1-2(b)所示可知，在Ar/Cl2比為80/20時BST/TiN與BST/Al選擇比最 高，顯示在此條件下進行BST蝕刻對Al、TiN結構損傷較小。因此，BST

Condition3:同Condition1但退火後，進行氧電漿處理再覆蓋上電極。

Condition4:同Condition1但退火後，進行氧電漿處理再覆蓋上電極。

4-2-1 C-V量測

如圖4-2-1(a)所示為<實驗一>四組條件的電容-電壓圖，量測上電極面積 為0.314Χ10^-4cm²，BST厚度為60nm、100nm電容值分別為271、276.5pF，

由結果可知雖然介電層厚度提升但電容值並未下降，反而由271小幅提升 至276.5pF，參考文獻可知這是BST特殊現象，在濺鍍溫度達到BST開始結 晶溫度以上時，隨著厚度提升BST薄膜有較多機會成長成更大的結晶顆 粒，而BST晶粒越大則介電常數亦越大。除此之外，濺鍍較厚的BST也可 相對降低與TaN界面的中介層影響，使整體量測電容值提高也可能是原因

之一，以(2.4)式平行板電容計算公式計算其介電常數如下:

可得薄膜厚度為60nm、100nm介電常數分別為58.5、99.45共提升約70%。

另外，比較60nm、100nmBST氧電漿前後，其介電常數有稍稍上升的現象 但並不明顯。

4-2-2 J-E量測

如圖4-2-2(a)所示為<實驗一>四組實驗的漏電流密度-電場圖，如圖可知 隨BST厚度提升其漏電流密度明顯下降，且經過氧電漿處理後薄膜漏電流 密度亦有下降的趨勢，根據文獻可知以濺鍍方式沈積氧化物薄膜時，因 為氧正離子容易由化合物中游離結合成為氧氣跑掉，所以在薄膜裡面中 氧原子便會產生不足的現象，在這些原先氧該在的位置沒有氧，稱之為＂

氧空缺＂。這些＂氧空缺＂正是造成漏電流的主要來源，而以氧電漿處 理可以使氧離子對薄膜內之氧空缺進行修補，因此可降低薄膜漏電流密 度。最後，觀察漏電流特性發現在electrode1漏電流密度級數偏大，推 測之原因:

1. BST此類氧化物材料在濺鍍時通常會通入氧氣以補充氧原子，而在本

研究中並未通入氧氣，主要原因為希望減少濺鍍時腔體的氧氣含量以 降低氧原子對底電極的滲透，避免產生太大的中介層影響電容值，因 此，在薄膜內造成數量頗多的氧空缺進而導致大量漏電。

研究中並未通入氧氣，主要原因為希望減少濺鍍時腔體的氧氣含量以 降低氧原子對底電極的滲透，避免產生太大的中介層影響電容值，因 此，在薄膜內造成數量頗多的氧空缺進而導致大量漏電。

在文檔中 鋁基電極鈦酸鍶鋇薄膜電容研製 (頁 42-0)