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研究生:吳紀宏
研究生(外文):Chi Hung Wu
論文名稱:具矽奈米線結構之金屬-氧化物-半導體電容特性研究
論文名稱(外文):Characterizations of metal-oxide-semiconductor capacitor with Si nanowire structures
指導教授:倪澤恩
指導教授(外文):T. E. Nee
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電子工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:89
中文關鍵詞:矽奈米線平行板電容高介電常數
外文關鍵詞:silicon nanowiresMOSHigh-KSelf-assembled
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本論文主要研究為MOS(Metal/Oxide/Semiconductor, MOS)結構 ,分別為Al/SiO2 or Tb2O3 or Al2O3/Si下電極為300 nm鋁,矽基板P型(100)經過基本RCA清潔過後,使用預先製備好的硝酸銀混合氫氟酸以及雙氧水溶液,以濕式成長法作為矽奈米線(Si-NWs)的成長機制,之後分別以鍍分別沉積上50 nm的二氧化鋱及氧化鋁後,再以及電子束蒸鍍沉積上800 nm的二氧化矽,最後定義出鋁閘極電極。
在此過程中,透過改變靶材成分、矽奈米線長度、以及退火溫度的條件製備出不同的樣品,並研究各試片樣品的性質,其中包含純度(雜質相)、顯微結構、表面型態以及漏電流等各方面性質。
由實驗物性量測中,掃描式電子顯微鏡可得知矽奈米線的表面結構樣貌,以及能量散射光譜儀可的之氧化層的成分分布;在經由電性量測,可由得知頻散效應、高頻介面態密度(Dit)、不同條件下電容值及漏電流的變化趨勢。
In this dissertation main research is MOS (Metal/Oxide/ Semiconductor , MOS ) structure. The structure composition respectively is Al/SiO2 or Tb2O3 or Al2O3/Si and the Back electrode is 300nm Aluminum. The p-type Silicon substrate (100) will pass through basic RCA clean. Then use prepared silver nitrate mix hydrofluoric acid as well as the hydrogen peroxide solution in advance. Put the clean silicon substrate in that solution. The silicon nanowires (Si-NWs) growth mechanism by the wet growth law. Afterward respectively deposits separately after the deposition on the 50nm dioxide terbium and the aluminum oxide, again as well as in the E-Gun Evaporator deposition the 800nm silicon dioxide, finally defines the aluminum gate extremely electrode.
During this process, by the change target material ingredient, Si nanowires length, as well as annealing temperature's condition prepares the different sample, and studies each preview sample the nature, contains the purity (impurity), the microstructure, the superficial state as well as leakage current and so on various aspects nature.
By the experiment physical property value gauging, the Scanning Electron Microscope (SEM) could know Si nanowires surface texture appearance, as well as the EDS could know oxide layer ingredient distribution ; In by way of the electrical gauging, may by the knowing frequency dispersion effect, high frequency interface density of states (Dit), under the dissimilar condition the capacitance value and leakage current the change tendency.
目錄
誌謝 i
中文摘要 iii
Abstract iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 序論 - 1 -
1-1 前言研究目的與動機 - 1 -
1-2 高介電常數介電層材料應具備之基本特性 - 6 -
1-2-1 介電常數與位能障 - 6 -
1-2-2 介電材料與Si 基板上的熱穩定度 - 8 -
1-2-3 介面品質 - 8 -
1-2-4 製程相容性 - 8 -
1-2-5 薄膜型態 - 9 -
1-2-6 閘極相容性 - 9 -
第二章 量測樣品之製作 - 11 -
2-1 元件結構 - 11 -
2-2 實驗相關用具及藥品 - 12 -
2-3 製作流程 - 13 -
2-3-1 基板清洗 - 14 -
2-3-2 常溫常壓大氣水相下大範圍製備矽奈米線 - 16 -
2-3-3 High-K(Al2O3/Tb2O3)薄膜沉積 - 17 -
2-3-4電子束蒸鍍(E-Gun Evaporator)二氧化矽薄膜 - 18 -
2-3-5 熱退火處理 - 18 -
2-3-6 鋁電極微影定義 - 19 -
2-4 樣品量測機台 - 22 -
2-4-1 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) - 22 -
2-4-2能量散佈光儀(Energy Dispersive Spectrometer, EDS) - 23 -
2-4-3 膜厚量測機台 - 25 -
2-4-4 電性量測機台 - 26 -
第三章 物性量測 - 27 -
3-1 產物形貌之掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM)分析 - 27 -
3-2 氧化層之能量散射光譜儀 (Energy Dispersive Spectrometer, EDS)分析 - 32 -
4-1 頻散效應 - 36 -
4-2 閘極電容值 - 43 -
4-2-1 不同矽奈米線長度對電容值的引響 - 43 -
4-2-2固定退火溫度對不同矽奈米長度電容值的引響 - 48 -
4-2-3不同退火溫度對7分鐘成長時間奈米長度電容值的引響 - 51 -
4-3高頻介面態密度(Dit)萃取法之G-V method - 55 -
4-4 閘極漏電流 - 61 -
4-4-1 不同奈米線的長度對漏電流之引響 - 61 -
4-4-2 不同退火溫度與不同材料之間的對漏電流引響 - 64 -
第五章 結論 - 67 -
第六章 參考文獻 - 69 -


表目錄
表1-1 各種高介電材料表 - 6 -
表1-2 高介電材料與矽基板的能障接合高度 [33] - 7 -
表2-1實驗相關用具及藥品 - 12 -
表2-2 MOS元件製作流程圖 - 13 -
表3-1 成長時間對成長長度對照表 - 31 -
表4-1 不同矽奈米線對於電容值的引響 - 48 -
表4-2根據不同退火溫度對於電容值的變化(pF) - 51 -
表4-3 隨著溫度區間不同電容值下降幅度 - 52 -
表4-5 不同長度的Si-NWs未經過RTA退火的三種材料的Dit變化 - 58 -
表4-6 不同長度的Si-NWs經RTA-200°C退火的三種材料的Dit變化 - 58 -
表4-7 在3 min Si-NWs經過不同退火溫度的三種材料的Dit變化 - 58 -
表4-8 在7 min Si-NWs經過不同退火溫度的三種材料的Dit變化 - 58 -
表4-9 不同矽奈米線對於漏電流的引響 - 61 -


圖目錄
圖1-1國際半導體技術藍圖 - 4 -
圖2-1 元件結構圖 - 11 -
圖2-2銀離子結晶附著於矽晶片表面 - 16 -
圖2-3 製作閘極電極鋁的流程 - 21 -
圖2-4 掃描式電子顯微鏡 - 22 -
圖2-5 EDS量測機台原理示意圖 - 24 -
圖2-6 EDS detector 構造與組成示意圖 - 24 -
圖2-7 α-step 為量測薄膜示意圖 - 25 -
圖3-1.反應時間10 min ~40 min - 28 -
圖3-2.反應時間50 min ~3 min - 28 -
圖3-3.反應時間4min~6min - 29 -
圖3-4 矽奈米線成長機制示意圖 - 30 -
圖3-5 (a)(b) 分別為樣品的側視與俯視照片 - 30 -
圖3-6 成長時間對成長長度曲線圖 - 31 -
圖3-7 氧化層SiO2- EDS分析結果 - 33 -
圖3-8材料Al2O3- EDS分析結果 - 34 -
圖3-9材料Tb2O3- EDS分析結果 - 35 -
圖4-1 等效電路模式(a)串聯模式(b)並聯模式(c)準確模式 - 36 -
圖4-2 適用high-k 絕緣層電容的等效電路 - 37 -
圖4-3 長度為3分鐘-不同頻率從100 k~2M Hz顯示的C-V圖結果 - 40 -
圖4-4 長度為7分鐘-不同頻率從100 k~2M Hz顯示的C-V圖結果 - 40 -
圖4-5 長度為10分鐘-不同頻率從100 k~2M Hz顯示的C-V圖結果 - 41 -
圖4-6 長度為15分鐘-不同頻率從100 k~2M Hz顯示的C-V圖結果 - 41 -
圖4-7 長度為20分鐘-不同頻率從100 k~2M Hz顯示的C-V圖結果 - 42 -
圖4-8 傳統製成MOS C-V、I-V curve - 43 -
圖4-9 3 min成長的矽奈米線電容值比較 - 45 -
圖4-10 7 min成長的矽奈米線電容值比較 - 45 -
圖4-11 10 min成長的矽奈米線電容值比較 - 46 -
圖4-12 15 min成長的矽奈米線電容值比較 - 46 -
圖4-13 20 min成長的矽奈米線電容值比較 - 47 -
圖4-14 RTA-200oC對於不具High-K層各矽奈米線長度C-V值引響 - 48 -
圖4-15 RTA-200oC對於具二氧化鋱層各Si-NWs長度C-V值引響 - 49 -
圖4-16 RTA-200oC對於具二氧化鋁層各Si-NWs長度C-V值引響 - 49 -
圖4-17 RTA-200oC三種材料對於各Si-NWs長度C-V值趨勢圖 - 50 -
圖4-18電容值的下降的趨勢 - 53 -
圖4-19 二氧化矽搭配不同退火溫度C-V的變化 - 53 -
圖4-20 二氧化鋱搭配不同退火溫度C-V的變化 - 54 -
圖4-22 Rs 對G-V 曲線的影響 [37] - 56 -
圖4-23 不同長度的Si-NWs未經過RTA退火三種材料的Dit變化 - 59 -
圖4-24 不同長度的Si-NWs經RTA-200°C退火三種材料的Dit變化 - 59 -
圖4-25 3 min Si-NWs經過各種RTA退火溫度的參種材料的Dit變化 - 60 -
圖4-26 7 min Si-NWs經過各種RTA退火溫度的參種材料的Dit變化 - 60 -
圖4-27 不具High-K層J-V圖 - 62 -
圖4-28 具High-K-Tb2O3層J-V圖 - 62 -
圖4-29 具High-K-Al2O3層J-V圖 - 63 -
圖4-30 不同Si-NWs長度J-V趨勢圖 - 63 -
圖4-31 不具High-K層根據不同退火溫度的J-V圖 - 65 -
圖4-32 具High-K-Tb2O3層根據不同退火溫度的J-V圖 - 65 -
圖4-33 具High-K-Al2O3層根據不同退火溫度的J-V圖 - 66 -
圖4-34 圖4-34 根據不同退火溫度的J-V趨勢圖 - 66 -
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