第五章 結論與未來展望
C- V 圖
電係數較低。由此圖看 VFB的變化，在未退火前很明顯的在由正電壓掃回負
電壓之後，VFB明顯變小一點，表示有正電荷的累積。起初在負電壓掃到正
電壓時，推測氧化層的陷阱電荷會捕捉到電洞而帶正電；之後再由正電壓掃 回負電壓時，由於先前捕捉的正電荷會吸引電子，導致在施加負電壓時所需 要更大的電壓去排開更多的電子，故兩條線不會重疊。反觀在經過退火溫度 850 oC 後，兩條線幾乎重疊，原因推測可能是高溫退火修補了氧化層的缺陷。
在其他的文獻中也為退火溫度越高，電容值越低的情形，其文獻表示 SiO2
介面層增厚，造成電容降低的趨勢[40]。
圖 2-22 在不同退火溫度下，Y2O3的介電係數改變[40]
2.2.4 高介電係數氧化層材料 La2O3：
La2O3為一個高介電係數(~27)[41]，很大的能障(~5-6 eV)[42]，以及有良 好的熱穩定度[43]，在傑出的低漏電流特性方面也有被文獻探討[44]。然而，
與其他的高介電係數材料不同的是，La2O3 為閘極氧化層時，當他的基板為 nMOS 時所呈現出來的性能並不是非常的理想[45]。在其他文獻中使用 p 型 Ge 作為基板，透過量測可以推測由於在 Ge 和氧化層介面聚積了許多固定的 負電荷，尤其在上半部的介面電荷造成為 nMOS 時表現出的性能不理想。在 2005 年 Y. Kim 等人利用了電子束蒸鍍的方式將 La2O3沉積在 n 型 Si 基板上
[46]，接著利用退火溫度的不同和退火時通入不同氣體的方式，對 La2O3做
了測量。透過在不同退火溫度以及通入氧氣與氮氣圖 2-24 可知，當退火溫 度在 300oC 前厚度會隨著退火溫度的升高而緻密化；然而一旦超過了 300 oC，
很明顯的發現厚度大幅增加，推測是如 TEM 圖 2-24 所示在退火溫度 300 oC 時，La2O3會與 Si 基板做結合形成一層 La-silicate 介面層[47-48]。
圖 2-25 在退火溫度為 300 oC 時，在氧化層 La2O3和 Si 基板之間會形成一介 面層 La-silicate[47]
圖 2-26 在 PDA 退火時通入(a)氮氣(b)氧氣的情形下，EOT 與物理薄膜厚度 的關係圖[48]
再者利用 EOT 與物理薄膜厚度關係圖 2-26 可以發現，在退火時通入氮 (post-metallization annealing, PMA) 的步驟，進而觀察 PDA 與 PMA 的電性 不同。由圖 2-27 可以知道，當 PDA 在 300 oC 後厚度明顯縮減且平帶電壓向
表 2-2 在 PDA 與 PMA 後的電性與物理的結果[49]
樣品 PDA 300 PDA 400 PDA 500 PMA 300 EOT
(nm)
1.29 1.44 1.60 2.33
漏電流 (A/cm2)
1.58x10-4 3.96x10-4 4.90x10-4 6.67x10-7 次臨界擺幅
(mv/decade)
92.8 98.8 115.6 83.8
圖 2-27 在 PDA 300 oC 以及 PMA 300 oC 後與未退火的 La2O3 電容-電壓(C-V)
圖[49]
2.3 MOS 電容器漏電流機制特性與分析 分為四種：(1)直接穿隧(direct tunneling) (2)蕭基發射 (Schottky emission) (3) 普 爾 - 夫 倫 克 爾 發 射 (Poole-Frenkel emission) (4) 傅 勒 - 諾 德 翰 穿 隧 (Fowler-Nordheim tunneling, F-N tunneling)。在本章這也是研究的主要重點，
我們運用了蕭基發射和普爾-夫倫克爾發射來探討在不同的結構上，電子的
其中𝐴∗為等效理查遜常數(effect Richardson constant)，其值約為4πq(𝑚∗𝑜𝑥)𝑘2
ℎ2 =
120 (𝑚∗
𝑚0) 𝐴/𝑐𝑚2𝐾2，其中𝐽𝑆𝐸為電流密度，T為絕對溫度，q為電子電荷，∅𝐵 為 蕭 基 能 障(Schottky barrier height) ， E為垂直電場，𝑘為波茲曼常數，𝜀0 為真空介電係數，𝜀𝑟為相對介電係數。
圖 2-28 蕭基發射漏電機制下，電子越過氧化層能障示意圖[52]
為了能使蕭基發射方程式成一直線，首先我們會將兩邊取 ln 使其成為 一線性的方程式 2.9。再者我們透過漏電流的 I-V 圖，使圖原本彎曲的拋物 線取 ln 後讓ln(𝐽𝑆𝐸
𝑇2)對𝐸12做圖，若為一直線，我們可以大膽判定他符合蕭基發 射漏電流機制。之後我們再在此直線上的值帶入(2.9)中，分別求出𝜀𝑟和∅𝐵。 ln(𝐽𝑇𝑆𝐸2) = ln(𝐴∗) −𝑞∅𝑘 𝐵
𝐵𝑇+ 𝐸12×√𝑞 4𝜋𝜀⁄𝑘 𝑟𝜀0
𝐵𝑇 (2.9)
2.3.2 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。
有足夠能量的氣體離子(Ar+)被負偏壓加速撞擊至陰極的靶材上，因入射離子 的能量打到靶材上，使得陰極靶材的原子有足夠的能量脫離靶材，沉積在接 地電位的基板上。而射頻濺鍍系統在這次實驗中，則是使用高介電係數靶材。
射頻濺鍍是對陰極和陽極施加交流電壓，使腔體內形成電漿，電漿中的正離 子受到了陰極的負電壓吸引，轟擊陰極的靶材其原子受到了正離子的轟擊而 逸出靶材表面，最後附著於基板上形成薄膜。
圖 3-2 共鍍濺鍍系統
再者針對此實驗過程，以下為結構堆疊沉積不同薄膜層所使用的不同參數介 紹：
(1) 氧化釔薄膜(Y2O3)：將氧化釔放在射頻靶上，射頻功率為 100 W，
鍍率為 0.195 nm/min，預設薄膜厚度為 3.5 nm，腔體內氬氣和氧氣 比例為 20：4。
(2) 氧化釔摻鋯薄膜(Y2O3+Zr)：將氧化釔放在射頻靶上，射頻功率為
3.1.2 快速熱退火 (Rapid thermal annealing)
沉積完成之後，接著會對試片做快速熱退火。快速熱退火即是在很短的
30 秒，再於充滿氬氣的腔體中，於 2500 秒把溫度降至室溫。
圖 3-3 快速熱退火爐
3.2 實驗過程與實驗參數
當試片退火後，在試片上覆蓋上含有 100 μm、200 μm、300 μm 的圓形 陣列遮罩(mask)，利用黃光膠帶固定後，利用濺鍍法鍍上鋁。這些鍍上去的 圓形鋁薄膜，當成用以量測試片電性的電極。鍍完鋁電極後，實驗試片即製 作完成。圖 3-4 為製作試片之流程圖。
表 3-1 Ti/ZrN/Y2O3+Zr/Si 結構參數表
(nm/min) 6.649 6.649 6.649 6.649 6.649 6.649 6.649 6.649 6.649
RTA(℃) 550 700 850 550 700 850 550 700 850
3.3 電性測量以及物性測量
本次實驗目的是希望得到Y2O3薄膜在有無摻雜Zr的不同情形下物性與 電性量測，因此將試片鍍上鋁電極，將所製備的上電極接電壓源而基板接地，
使用Agilent E4980量測C-V曲線以及Agilent B1500A透過變溫量測I-V曲線來 獲得電性，如圖3-5、3-6、3-7。在C-V曲線部分是以半徑為300μm的圖形，
I-V部分則是半徑為100μm的圖形，過程中示情況所需亦有將試片升溫再行 量測來獲得不同環境下的漏電流值。
圖3-5 小台為量測C-V之Agilent E4980，大台為量測I-V之Agilent B1500A
圖3-6 量測變溫I-V之升溫器
圖3-7 量測電性儀器內部放置試片設備圖 3.3.1 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM )
本研究利用原子力顯微鏡量測試片層與層之間的表面形貌及表面粗糙 度。懸臂式彈簧片上的微小探針，當探針掃描表面時利用其彈簧的形變來獲 得訊號，藉由得到的訊號，可以得知試片的表面粗糙度，通常以平均粗糙度 (Ra)或均方根粗糙度(Rms)來表示。本研究利用原子力顯微鏡觀察薄膜表面 的粗糙度，藉而比較在不同條件下所製備之薄膜粗糙度優劣。原子力顯微鏡 的主要結構可分為懸臂與探針、光電偏移量偵測器、掃描器、回饋系統及顯 像系統五大部分。圖 3-8 為原子力顯微鏡之示意圖。
圖 3-8 原子力顯微鏡之示意圖[56]
3.3.2 穿透式電子顯微鏡 ( Transmission Electron Microscope, TEM ) 性散射 (elastic scattering)和非彈性散射 (inelastic scatting)兩種結果產生。產 生彈性散射的電子是由於入射電子與試片內部原子庫倫位能的作用，其能量
圖3-9 高解析穿透式電子顯微鏡
透過 TEM 圖可以觀察在熱退火後，以及實驗過程中摻到的雜質或缺陷 等的表面變化，由不同的時間或是其他條件下探討其不同的影響。再者也能 經由此 TEM 圖看出介面的穩定以及結晶情形，搭配其他電性的測量數據上 更能做最好的佐證。