普爾-夫倫克爾發射

圖 2-29 普爾-夫倫克爾發射漏電機制下，電子從氧化層陷阱電荷越過能障示 意圖[52]

2.4 總結

綜觀上述的材料分析，透過這些高介電係數的特點以及其他金屬的特性，

在製作元件上更能達到需要的規格。本章重點依舊放在 ZrO2以及 Y2O3兩者 材料的研究與改變下，會產生不同的漏電機制問題。透過這些基礎的概念，

更能讓往後的實驗更加順利。再者透過不同的結構(例如在閘極氧化層摻雜 金屬與否)會產生不一樣的漏電流，透過這些不一樣的電性結果與萃取其中 的電流數據，帶入漏電機制公式觀察其能障以及介電係數的變化，在接下來 的研究中扮演重要的角色。根據實驗後的圖形趨勢以及數值，運用所學的半 導體知識，做不同的改變，不僅可以使整個元件運作更加流暢，更能讓效能 達到最大化。

第三章 實驗過程

前章透過許多文獻可以了解，釔這個金屬材料在地球上並不如其他金屬 這麼多，想當然爾在利用氧化釔(Y2O3)來研究閘極介電層的文獻，相對於其 他材料而言比較少。承如上述章節介紹，氧化釔是做為高介電係數閘極介電 層的材料之一，雖然也會產生反應形成界面層，但形成的結構多半為釔的金 屬矽氧化物(Y-silicate)，因此介電值不會下降太多。再者由氧化鋯(ZrO2)之文 獻探討可得知，此氧化物在學界或業界常作為材料，加上氧化鋯的材料特性 符合高介電材料優點的項目很多，所以本實驗藉由氧化釔摻鋯做為我們的氧 化層；而實驗方面我們利用了堆疊結構希望目標可以減少反應，抑制界面層 的產生。本實驗電容器是利用鈦(Ti)做為電極，因為擔心在製程中可能會產 生擴散現象，所以利用兩組試片，一組有在鈦電極和氧化層之間加一層氮化 鋯(ZrN)，此時氮化鋯成為一個阻擋層(capping layer)減少擴散的現象，另外 一組則沒有氮化鋯做阻擋層，再透過測量的結果與數據對這兩者不同的結構 做更深入的分析。圖 3-1 為這次實驗所使用的試片示意圖。

圖3-1 本次試驗所製備的試片示意圖

3.1 實驗原理

在電子或是半導體領域內，為了賦予材料其他的特性，於材料表面上以 各種方法覆蓋上其他種類的薄膜，本研究是在矽基板上沉積極薄的高介電係 數的薄 膜。 沉積 薄 膜的方 式大 致上 可 分為兩 類分 別是 物 理氣相 沉積法 (physical vapor deposition)和化學氣相沉積法 (chemical vapor deposition)兩類，

而 PVD 是以氬離子電漿轟擊或者加熱使得固態材料氣態化，之後其蒸氣於 來沉積薄膜的機台，為共鍍機(co-sputtering system)，如圖 3-2 所示，即是擁 有直流濺鍍系統(DC sputtering system)和射頻濺鍍系統(RF sputtering system)。

其中 DC sputtering system 在本實驗中主要是拿來濺鍍金屬薄膜，其工作原理 為在高真空的環境之下通入工作氣體 (working gas)，通常是使用氬氣來當作 工作氣體；另外 RF sputtering system 則主要是拿來濺鍍介電質薄膜，而原理 與 DC sputtering system 類似。在功能上來講，兩個系統的目的都是相同的，

都是要進行薄膜的沉積。但兩者最大的不同就是 DC sputtering system 只能濺 鍍金屬薄膜，而 RF sputtering system 則是金屬薄膜以及介電質薄膜都可濺 鍍。原因是 DC sputtering system 在濺鍍介電質薄膜時會有正電荷的累積，

而 RF sputtering system 則是因為施加的是交流電壓，正電壓與負電壓相互 的切換，使得電子因為正電壓的吸引進入靶材而跟正電荷中和，進而解決了 正電荷累積的問題。