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研究生： 范躍鐘
Y. C. Fan
論文名稱： 氮化處理對閘極介電層二氧化鉿與矽晶圓之電漿蝕刻製程研究
指導教授： 林強
C. Lin
柳克強
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： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 氮化處理 、鈍化層 、矽晶圓 、二氧化鉿 、電漿蝕刻 、蝕刻選擇比
外文關鍵詞： Nitridation treatment, Passivation layer, Silicon, Hafnium oxide, Plasma etch, Etch selectivity
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    • 由於在下一個世代互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程中，元件線寬微縮至32奈米或更小尺寸，其閘極氧化層的厚度相對地微縮到只有幾個奈米，因此在製程過程中，閘極氧化層與矽晶圓或光阻間之蝕刻選擇比就顯得相當重要，避免因過蝕刻情形嚴重而造成電性上的影響，因此適當選擇閘極氧化層材料及研究其相關特性變成一個相當值得探討的課題。
    本研究是以本實驗室之電感耦合式高密度電漿蝕刻機台(ICP)來研究新蝕刻製程方式，以期增加高介電係數材料二氧化鉿（HfO2）、矽晶圓間之蝕刻選擇比(selectivity)。有別於一般蝕刻製程，本研究藉由曝曬(expose)氮氣電漿，在矽晶圓表面形成一層氮化鍵結，降低矽晶圓之蝕刻率，以期得到較佳蝕刻選擇比。實驗操作參數為電漿源功率(Source Power)、射頻偏壓功率(RF Bias Power)、腔體壓力(Pressure)和曝曬氮氣時間(Exposure Time)。在固定蝕刻條件下，研究在氮化過程中改變這些參數對蝕刻率產生的變化與對蝕刻選擇比的影響。此外，利用射頻阻抗計（Impedance meter）測量晶圓座上的射頻峰值電壓（RF peak voltage），並利用控制器回授控制射頻峰值電壓以固定離子能量，取代一般使用偏壓功率(Bias Power)作為研究蝕刻率的變數。以光譜儀量測在曝曬氮氣電漿過程中氮分子光譜強度，來觀察在氮化過程中電漿的變化，幫助分析曝曬氮氣的影響。
    研究指出在較高曝曬電漿源功率、低腔體壓力、適當的曝曬時間及不外加偏壓的狀況下，電漿中發生氮化反應之活性基相對濃度隨之增加，加強矽晶圓表面之氮化效果，使得矽晶圓有較少的蝕刻深度，降低矽晶圓之蝕刻率。
    增加曝曬電漿源功率至1400 W，蝕刻選擇比可增加至約5.78；隨著曝曬氮氣電漿時腔體壓力降低，其蝕刻選擇比會隨之增加；改變曝曬氮氣電漿時間，其蝕刻選擇比可由0.855增加至5.78，但外加射頻偏壓功率10W，其蝕刻深度隨著曝曬時間增加而增加，故曝曬氮氣電漿時不宜加偏壓。由結果顯示，藉由曝曬氮氣電漿於矽晶圓表面，可增加二氧化鉿與矽晶圓間之蝕刻選擇比。

    第一章 簡 介……………………………………………………1 1.1 研究背景…………………………………………………………1 1.2 高介電係數材料之選擇…………………………………………3 1.3 電漿製程於互補式金氧半導體(CMOS)的應用…………………4 1.4 蝕刻二氧化鉿及矽晶圓之氮化文獻簡介………………………6 1.5 研究目的…………………………………………………………10 第二章 文獻回顧…………………………………………………12 2.1 高介電係數材料之應用……………………………………… 12 2.2 HfO2薄膜的基本介紹……………………………………………15 2.3 HfO2薄膜之電漿蝕刻………………………………………… 16 2.4 矽晶圓之表面鈍化及氮化研究…………………………………25 2.5 矽晶圓之電漿蝕刻………………………………………………34 第三章 基本原理…………………………………………………38 3.1 電漿基本原理……………………………………………………38 3.2 電漿蝕刻之機制…………………………………………………40 3.3 氯氣電漿與矽蝕刻反應機制……………………………………46 3.4 離子能量（Ion Energy）………………………………………50 3.5 離子電流（Ion current）……………………………………52 第四章 研究方法與實驗設備…………………………………………55 4.1 研究方法…………………………………………………………55 4.2電感耦合式電漿源（ICP）蝕刻系統……………………………56 4.3 射頻阻抗計(Impedance Meter)………………………………61 4.4 光學放射光譜儀（OES）………………………………………63 4.5 橢圓測厚儀（Ellipsometer）…………………………………65 4.6 表面輪廓分析儀（Surface profiler）………………………66 4.7 原子力顯微鏡（AFM）…………………………………………68 第五章 實驗結果與討論………………………………………………72 5.1 實驗步驟…………………………………………………………72 5.1.1 試片準備………………………………………………………72 5.1.2 氮化蝕刻流程…………………………………………………74 5.1.3 曝曬氮氣電漿與蝕刻量測……………………………………78 5.1.4 蝕刻率量測……………………………………………………78 5.2 曝曬氮氣電漿形成氮化層………………………………………79 5.2.1 曝曬氮氣電漿於矽晶圓表面…………………………………79 5.2.2 曝曬氮氣電漿於二氧化鉿薄膜表面…………………………81 5.3 曝曬氮氣電漿之氮化蝕刻對Si及HfO2之影響………………83 5.4 Si蝕刻率與曝曬氮氣電漿功率之關係………………………89 5.5 Si蝕刻率與曝曬氮氣電漿時加入偏壓功率之關係…………92 5.6 Si蝕刻率與曝曬氮氣電漿時腔體壓力之關係………………97 5.7 Si蝕刻率與改變曝曬氮氣電漿時間之關係…………………102 5.8 在Si 低蝕刻率的條件下HfO2之蝕刻………………………105 5.9 HfO2/Si之蝕刻選擇比………………………………………108 5.10 氮化蝕刻製程於實際應用上之探討…………………………111 第六章 結論……………………………………………………………121 參考文獻………………………………………………………………123 附錄一 二氧化鉿之界面反應…………………………………………127 附錄二 實驗結果量測圖………………………………………………129 附錄三 氮化蝕刻製程…………………………………………………147 附錄四 氯氣混合氮氣電漿蝕刻………………………………………149

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