室溫液相沉積二氧化矽膜之開發與應用

Abstract

本論文研究一種新的絕緣膜沉積技術－室溫液相沉積二氧化矽膜（Liquid-phase deposited；LPD SiO F）。研究的目的，是開發室溫長膜技術及設備自製，並探討使 此技術未來能具體地應用於半導體製程上。研究的內容，則是針對LPD SiO F的不同 可能應用，開發最適合的製程設備及製程參數，並探討其膜質特性。首先，我們開發 組裝一較獨特的LPD SiO F沉積設備，掌握各項製程參數對沉積的影響，進而開發出 具有良好電特性的LPD SiO F膜。其漏電流約為10nA/cm（在4MV/cm），崩潰電場約為 7 ∼ 8MV/cm。應用此膜於低溫製程之複晶矽薄膜電晶體及金氧半場效電晶體之閘極 絕緣層，薄膜電晶體的開關電流比約為4.95×10，臨界電壓約為6.9V，閘極波動率則 為1.28V/decade。而場效電晶體的移動率為580cm/V.sec，閘極波動率則為 134mV/decade。兩者皆具有良好之元件特性。我們亦深入研究澄清液相沉積前基板面 處理、和液相沉積後高溫退火處理對膜質電特性的影響，因而進一步改善LPD SiO F 膜質特性。 為求擴大LPD SiO F的應用範圍與價值，必須研發沉積高品質且較薄LPD SiO F膜之闕 鍵技術。為此，我們另發展出一新的沉積設備及製程方法，以沉積高品質、超薄之 LPD SiO F膜。新沉積設備包括溶液配製、過濾及純化系統和循環沉積系統，此嶄新 設備可提升沉積溶液的純度，並避免沉積時溶液中的微粒附著在基板上，因而提升 LPD SiO F薄膜的特性。而對新製程方法中，各項沉積參數對膜質影響的研究發現， 溶液中添加水量大小對LPD SiO F膜質有極大的影響。添加水量愈多，膜質特性愈差 。因此，必須設法降低溶液中之添加水量。經由上述方法，我們因而沉積出300A厚的 LPD SiO F薄膜，此薄膜具有與厚膜相當的電特性。我們並首度提出其漏電流機制是 Fowler-Nordheim穿透，而在較高溫度下或對於較厚LPD SiO F膜，將由 Poole-Frenkel漏電機制主導。我們亦將此較薄之LPD SiO F膜應用複晶矽薄膜電晶體 閘極絕緣層，結果顯示較厚LPD SiO F膜製成之複晶矽薄膜電晶體，有更優良的元件 特性。 早期我們發現LPD SiO F膜會於沉積過程中自然摻雜氟原子於膜中，此特性使LPD SiO F在未來多層配導線層間絕緣膜的應用上極具潛力。我們因而針對層間絕緣膜所需的 重要特性－介電常數與應力，對LPD SiO F膜進行探討，希望研發更低介電常數和應 力的LPD SiO F膜。結果發現，藉由降低溶液中添加水量，將可提高膜中含氟量，並 降低膜之介電常數及應力。開發之膜，最低之介電常數值為3.56，應力為83.3MPa。 而經由400 ℃熱處理，可使介電常數更加降低至3.42，而經由600 ℃熱處理，將可使 應力降低至0MPa。反應中添加水量愈多，沉積之LPD SiO F膜（即含氟量少之膜）其 熱穩定性及抗溼性均較含氟量多之LPD SiO F膜差。主要因為添加水量較多時之沉積 膜，其膜中含氫氧鍵較多，且膜質較疏鬆，缺陷較多，因而熱穩定性及抗溼性均較差 。 最後，應用LPD SiO F選擇性沉積特性，我們發明一新的半導體元件之接觸孔形成技 術。此一新的技術，毋需利用反應性離子蝕刻製程即能形成元件接觸孔，可避免以往 反應性離子蝕刻製程對元件造成的傷害，改善元件的特性。利用此新接觸孔形成技術 製成的肖特基二極體，其能障高及理想係數分別為0.85eV和1.03；而p -n接面二極體 ，其漏電流密度為4.46×10 A/cm，理想係數則為1.06。這些結果均較使用傳統蝕刻 製程的元件特性為佳。