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研究生： 蔡承竣
Cheng Chun Tsai
論文名稱： 氮氣電漿對矽進行氮化處理以提升高介電係數材料蝕刻選擇比之研究
Study of plasma nitridation of Si wafer surface by ICP nitrogen plasma for improving selectivity in High-K material etching process
指導教授： 林滄浪
柳克強
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 矽氮化處理 、蝕刻選擇比 、高介電係數材料 、二氧化鉿 、氮氣電漿
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    • 二氧化矽（SiO2）目前應用於製作閘極（Gate）的介電層，當未來製作更微細的電路時，需用更薄的介電層，其厚度若小於20 Å 時，便會因為穿遂效應（tunneling effect）而產生嚴重的漏電流，為了解決這樣的問題，需改使用高介電係數材料（high-K）；而高介電係數材料的導入則帶來了一個新的問題：其對於底下矽基板的蝕刻選擇比（selectivity）過低，提升選擇比便成為高介電係數材料蝕刻製程之ㄧ個重要的課題。本實驗室使用自製的電感耦合式高密度電漿源（ICP）進行蝕刻製程研究，發展藉由曝曬（expose）氮氣電漿，在矽晶圓表面形成一層氮化鍵結層，且蝕刻氣體改為氯氣/氮氣混合氣體，發現經由以上製程能有效的降低矽晶圓之蝕刻率，並提升高介電係數材料二氧化鉿（HfO2 ） 與矽晶圓間之蝕刻選擇比（selectivity）。同時發現，經過曝氮處理之矽晶圓，其蝕刻率隨著曝氮時電漿功率的增加而降低；隨著曝氮時工作氣壓的上升而上升。本項研究計畫之主旨即為探究矽晶圓氮化處理之物理機制，首先對純氮氣電漿進行研究，使用放射光量定法（Optical Emission Actinometry，OEA）以量測氮原子及氮分子之濃度；使用蘭牟爾探針（Langmuir probe）量測電子溫度、電漿電位；使用夾型共振器（hairpin resonator）量測電子密度；使用射頻阻抗計（impedence meter）量測晶圓座上之峯值偏壓（peak voltage）。根據本研究中氮化處理時固定功率改變壓力之結果發現，當固定功率為1200 W，改變工作氣壓從3 mtorr 上升至15 mtorr 時，氮原子之濃度從1.10×1014 cm-3上升至4.27×1014 cm-3，而氮化效果並未隨著氮原子濃度的增加而上升，矽的蝕刻率反而增大，因此不是如一般所認為的氮化效果隨氮原子濃度增加而提升。工作氣壓增大時，氮氣電漿中氮分子之解離率則從0.72 降至0.58，氮原子占的分壓從0.83 降至0.71，可以發現氮化效果的變化趨勢是與氮分子解離率或是氮原子分壓大小有關聯性，而非與氮原子的絕對濃度相關。

    第一章 簡介.......................................... 1 1.1 研究背景......................................... 1 1.2 研究動機......................................... 6 1.3 研究目的......................................... 8 第二章 文獻回顧...................................... 9 2.1 氮化處理之研究................................... 9 2.2 氮氣電漿之研究.................................. 21 2.3 氮氣參入Cl-base 電漿中之蝕刻研究................ 30 第三章 原理與分析方法.................................................. 33 3.1 電漿基本原理.................................................. 33 3.2 電漿蝕刻原理.................................................. 34 3.3 電漿放射光原理（Optical Emission） ............. 37 3.4 Optical Emission Actinometry（OEA）原理......... 42 第四章 實驗裝置與設備............................... 45 4.1 電感耦合式電漿源蝕刻機台........................ 45 4.2 光譜儀系統...................................... 47 4.3 蘭牟爾探針...................................... 56 4.4 夾型共振器...................................... 58 第五章 實驗步驟與方法............................... 59 5.1 光譜線擬合.................................................. 59 5.2 Ar 750.4 nm 光譜強度擷取........................ 63 第六章 氮氣電漿研究及氮化結果之分析與討論........... 67 6.1 純氮氣電漿OEA 比例常數求取與修正................ 67 6.2 N2 解離率與電漿參數之比較....................... 76 6.3 矽晶圓表面氮化處理結果之討論.................... 82 第七章 結論.........................................104 參考文獻............................................106 附錄一 Cl2/N2混合電漿實驗結果分析與討論.............109 附錄二 原始數據.....................................122

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