摘 要


隨著MOSFET元件尺寸逐漸縮小，其元件中的絕緣層(SiO2)已經接近了其材料物理特性的極限，為了持續保有絕緣的效果以及維持原有合理的界面缺陷密度，氮氧化矽的薄膜成為目前由SiO2轉進到high-k材料的過渡時期的替代材料。氮氧化矽乃是由氧化矽與氮化矽在各種不同比例下混合而成，由於鍵結的不完整，所形成的缺陷，往往造成元件可靠度的考量。這些缺陷的探討，將有助於在製程上成長參數的調變，以確保避開這些缺陷的產生。
本研究乃是利用光子激發光(PL)以及拉曼光譜來探討氮氧化矽材料內缺陷的特質，同時比較在不同製程條件下其氮氧化矽內缺陷種類的變化。氮氧化矽薄膜乃是以CVD方式在Si(100)上以NH3氣體在不同氮化時間下，分別得到6.2nm以及40nm的厚度，隨後在950℃環境下分別以乾氧在不同回火時間下進行氧化。實驗量測包括試片在高低溫(300 K , 67 K)下的光致發光光譜的偵測，同時針對所得光譜的半高寬以及光譜峰值所對應的能量與缺陷種類的比對進行交叉分析。
　 初步PL結果顯示，6.2 nm之薄膜僅在390 nm(3.18 eV)出現峰值，而40 nm之薄膜則是額外在535 nm(2.37 eV)出現另一峰值，這暗示著在這兩種製程條件下已經形成不同的缺陷，3.18 eV所對應的缺陷為 ，而2.37 eV所對應的則是 的缺陷。
在這篇論文裡，我們展示了MOS結構參數的完整公式，並且使用氮氧化矽在p型矽基材MOS結構來做計算的樣品。基材矽的載子濃度可由C-V量測的結果運算得到，並將之與霍爾量測的結果作比較。此外，平帶電壓與起始電壓亦經由計算與C-V的量測結果作比較。

ABSTRACT

As MOSFET getting smaller, its silicon dioxide reaches physical limit. To continue its insulation and reasonable interface defects density, now, SiOxNy is the replace material to fill the transition term between SiO2 to high-k material. SiOxNy is made from silicon dioxide and silicon nitride in different scale. Due to the uncompleted of bonding, the device’s reliability is dependent on defects. The discussion about defects will help us to change the growth conditions in process and avoid to produce these defects.
We use PL and Raman spectrum to study the defects in SiOxNy and compare them under different process conditions especially on the change of defects.
PL result on 6.2 nm film have a peak at 390 nm, and 40 nm film have peak at 535 nm. This mean that under these two process conditions the defect correspond to 3.18 eV is . The defect correspond to 2.37 eV is .
In this thesis, we report formulations of how to calculate the parameters of MOS structure, using SiON/p-Si MOS structure as calculated sample.
The carrier concentration were calculated and compared with the Hall results. The flat band voltage and threshold voltage were calculated and compared with measured C-V curves.

目 錄

中文摘要 …………………………………………………………… i
英文摘要 …………………………………………………………… iii
致謝 ………………………………………………………………… v
目錄 ………………………………………………………………… vi
表目錄 ……………………………………………………………… ix
圖目錄 ……………………………………………………………… x
第一章 簡介
1-1氮化矽 …………………………………………………… 1
1-2氮氧化矽 …………………………………………………… 4
第二章 基本原理與儀器設備
2-1光致發光光譜
2-1-1激發光的激發模式 ………………………………… 5
2-1-2光致發光原理 ………………………………………… 5
2-1-3 PL激發光之激發光源 ………………………………… 6
2-2拉曼散射光譜
2-2-1 拉曼散射原理 ……………………………………… 7
2-2-2 共振拉曼散射原理 ………………………………… 10
2-2-3 拉曼光譜儀的工作原理 …………………………… 11
2-3 MOS二極體原理
2-3-1 MOS二極體結構 …………………………………… 19
2-3-2 能帶圖 ……………………………………………… 20
2-3-3 界面陷阱與氧化層電荷 …………………………… 22
2-3-4 功函數差 …………………………………………… 25
2-3-5 串並聯電路 ………………………………………… 26
2-3-6 C-V 曲線 ………………………………………… 27
2-3-5 MOS結構的公式計算……………………………… 28
第三章 儀器設備
3-1光致發光光譜儀的裝置 …………………………………… 37
3-2 拉曼光譜儀的裝置 ………………………………………… 40
3-3 電容-電壓量測的裝置
3-3-1 7-0~7-5 Al/SiOxNy/p-Si(100)之MOS二極體的流程圖 … ………………………………………………………………… 43
3-3-2 電容-電壓量測系統 ………………………………… 44
第四章 實驗結果與討論
4-1 樣品製程
4-1-1樣品參數 ……………………………………………… 45
4-1-2樣品清洗 ……………………………………………… 47
4-1-3成長一層nitridation nitride …………………………… 48
4-1-4 CVD沉積氮化矽薄膜 ………………………………… 48
4-1-5氧化的動作 …………………………………………… 48
4-2 光致發光光譜分析 ………………………………………… 49
4-2-1相同試片(厚度為40 nm)比較不同的點 ……………… 54
4-2-2相同試片(厚度為40 nm)比較不同的時間 ……………56
4-2-3相同時間(時間為180 min)比較不同的厚度 ………… 58
4-3拉曼散射光譜分析
4-3-1室溫下量測 …………………………………………… 60
4-3-2低溫下量測 …………………………………………… 62
4-4電容-電壓量測分析
4-4-1樣品 …………………………………………………… 63
4-4-2 (7-5) Al/SiOxNy/p-Si(100) …………………………… 64
4-4-3 The C-V curve of MOS structure …………………… 69
4-5掃描式電子顯微鏡分析 ……………………………………… 74
4-6 橢圓偏光儀分析 …………………………………………… 75
4-7 歐傑電子能譜儀分析 ……………………………………… 79
第五章 結論 ……………………………………………………… 87
參考文獻 …………………………………………………………… 88

參考文獻:
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2. 半導體元件物理與製作技術 (第二版) 施敏 著
3. 半導體物理元件 Donaid A. Neamen
4. V. A. Gritsenko, I. P. Petrenko and S. N. Svitasheva. Appl. Phys. Lett. Vol.72, pp. 462, 1998.
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7. 2003年研究計畫 林柏村 著
8. 薄膜光學與鍍膜技術 (第三版) 李正中 著