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研究生: 沈尚賢
S. H. Shen
論文名稱: 高介電係數材料二氧化鉿之氯氣/氬氣混合電漿蝕刻製程研究
指導教授: 林強博士
C. Lin
柳克強博士
K. C. Leou
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: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 115
中文關鍵詞: 二氧化鉿離子轟擊能量射頻阻抗計射頻峰值電壓蝕刻選擇比
外文關鍵詞: Hafnium oxide, ion bombardment energy, impedance meter, RF peak voltage, etch selectivity
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  • 本研究以電感耦合式高密度電漿蝕刻機台來研究蝕刻二氧化鉿(HfO2)、矽晶圓蝕刻特性,實驗操作參數為電漿源功率、射頻峰值電壓、氬氣與氯氣混合氣體流量和腔體壓力。研究這些參數對蝕刻率與選擇比的影響與變化。此外,利用射頻阻抗計(Impedance meter),來測量晶圓座上的射頻峰值電壓(RF peak voltage),設計控制器,回授控制射頻峰值電壓,以此參數取代偏壓功率作為研究蝕刻率的變數。以光譜儀量測氯離子、氬原子光譜強度幫助分析蝕刻特性。
    氯氣/氬氣含量比例對於二氧化鉿的蝕刻率幾乎不變。在較高的氬氣含量電漿中二氧化鉿蝕刻表面較粗糙,其原因為離子通量較大且化學性蝕刻減弱所影響。
    發現在提高的電漿源功率至1000 W選擇比約0.017、射頻峰值電壓至40V選擇比約0.0056、氣體總流量至150 sccm選擇比約0.013與降低的腔體壓力至5 mTorr選擇比約0.02、氬氣含量至0 % 選擇比約0.01,使得相較於矽而言,二氧化鉿對矽的選擇比可提高,但選擇比無法高於1。


    The purpose of this research is to study HfO2 and Si etch characteristic in inductivity coupled plasma etcher. Operating parameters are plasma source power, rf peak voltage, Cl2/Ar gas flow rate, and chamber pressure. The influence of those parameters on etch rate and selectivity are investigated., The impedance meter connected to the electrostatic chuck is used to measure rf peak voltage on electrostatic chuck. The controller is designed to feedback control the rf peak voltage, which is used to replace the bias power as the controlled variable. HfO2 etch rate almost does not vary when Ar % is changed. In high Ar % plasma, HfO2 surface has higher roughness, the reason is due to the effect of high ion flux and low chemical reactions.
    Increasing plasma source power, rf peak voltage, total gas flow rate and reducing chamber pressure can increase HfO2/Si etch selectivity. However, in Cl2/Ar plasma, the etch selectivity of HfO2/Si can not be higher than 1.

    第一章 簡 介…………………………………………………1 1.1 研究背景…………………………………………………1 1.2 研究目的…………………………………………………4 第二章 文獻回顧………………………………………………5 2.1 高介電係數材料於極大型積體電路之應用與發展……5 2.2 HfO2薄膜的基本介紹………………………………… 6 2.3 HfO2薄膜之電漿蝕刻………………………………… 8 2.4 HfO2薄膜在蝕刻上遭遇到的問題…………………………15 2.5 矽晶圓之電漿蝕刻…………………………………………16 第三章 基本原理…………………………………………………20 3.1 電漿基本原理..…….………………………………………20 3.2 電漿蝕刻之機制……………………………………………21 3.3 氯氣電漿與矽蝕刻反應機制……………………………… 27 3.4 氯氣與氬氣混合電漿蝕刻機制…………………………… 29 3.5 離子能量(Ion Energy)………………………………… 33 3.6 離子電流(Ion current)……………………………… 34 第四章 研究方法與實驗設備………………………………………37 4.1 研究主題……………………………………………………37 4.2 電感耦合式電漿源(ICP)蝕刻系統…………………… 37 4.3 射頻阻抗計(Impedance Meter)…………………………42 4.4 光學放射光譜儀(OES)……………………………………45 4.5 橢圓測厚儀(Ellipsometer)……………………………46 4.6 表面輪廓分析儀(Surface profiler)…………………47 4.7 原子力顯微鏡(AFM)………………………………………48 4.8 射頻峰值電壓控制器設計…………………………………50 第五章 實驗結果與討論………………………………………………52 5.1 實驗步驟…………………………………………………52 5.2 HfO2蝕刻率重現性…………………………………… 55 5.3 HfO2、Si蝕刻率與電漿源功率之關係…………………61 5.4 HfO2、Si蝕刻率與氬氣/氯氣比例之關係…………………68 5.5 HfO2、Si蝕刻率與射頻峰值電壓之關係……………………81 5.6 HfO2、Si蝕刻率與腔體壓力之關係…………………………86 5.7 HfO2、Si蝕刻率與氣體總流量之關係………………………89 5.8 HfO2/Si蝕刻選擇比之關係…………………………………92 5.9氯氣/氬氣流量比與HfO2蝕刻表面粗糙度之關係……………97 5.10 實驗結果與文獻結果之對照……………………………101 第六章 結論與建議…………………………………………………107 6.1 結論……………………………………………………107 6.2 建議………………………………………………………… 109 參考文獻………………………………………………………………110 附錄A 射頻偏壓頻率對離子能量分佈之影響……………………114

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