離子束氮化製作氮化矽層之化學成份分析

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黃俞淵(Yu-Yuan Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

離子束氮化製作氮化矽層之化學成份分析
(Composition analysis of the ion beam nitridation of Silicon)

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摘要(中)

摘要
近年來氮化矽層製作方式相繼問世，在本論文中使用離子束氮化方式(IBN)來製作氮化矽層，其主要分為在常溫下與高溫氮化二種，製作方式主要差別在於基板有無加熱來作主要區別，在傳統的加熱氮化方式中，由於製程要求因此所產生的熱會損壞矽基板及造成雜質重組等缺陷，對於後續的微電子製程有很大阻礙【1】【2】【3】。
因此在本實驗中利用常溫下離子束氮化方式(IBN)來製作氮化矽層，一來可以製作低基板溫度的氮化矽層，二來可以得到均勻的氮化矽層。並且加入不同的實驗參數包括不同的植入劑量以及不同的加速電壓，最後經由X光光電子能譜儀(XPS)檢測來探討形成的氮化矽層各種厚度及濃度百分比變化趨勢，及包含離子束氮化前後的矽表面全譜分析及縱深掃描分析。

摘要(英)

Abstract
In recent years, many ways of producing nitride silicon layer has be-
en introduced to the world. A way of producing nitride silicon layer by ION BEAM NITRIDATION(IBN) will be discussed in this study. The way of pro-
ducing nitride silicon layer by ION BEAM NITRIDATION (IBN) is mainly d-
ivided into two conditions-at room temperature and at high temperature and the differences lie in the substrate with or without heating.Traditionally, when heating the substrate to produce the layer, the heat produced durin-
g the process would damage the silicon board and cause the impurities r-
estructure, and the damage also causes an obstruction to the following
micro - electronic producing.【1】【2】【3】
Therefore, in this study, the silicon nitride layer is produced at room temperature by ION BEAM NITRIDATION (IBN) to produce a low tempe-
rature silicon nitride layer as well as to get a well-mixed silicon layer. Be-
sides, with different experiment parameters, such as different doses and different voltage to speed up the ion beam to investigate the formation of silicon nitride layer is conducted in this study. In this experiment, X-ray P-
hotoelectron Spectroscopy(XPS) is used to analyse the changes of varied thickness and the density percentage of nitride silicon layer. Besides, an analysis of full spectrum and in-depth scan in silicon surface of ion beam nitride will also be carried out in this study.

關鍵字(中)

★ 氮化矽
★ 離子束氮化
★ 離子碰撞
★ X 光光電子能譜儀

關鍵字(英)

★ Si3N4
★ IBN
★ Ion bombard
★ XPS

論文目次

目錄
中文摘要………………………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………………I I
目錄……………………………………………………………………I I I
圖目錄………………………………………………………………... V I
表目錄……………………………………………………………...…XIII
第一章緒論…………………………………………………………..1
1-1前言…………………………………………………………..1
1-2研究動機與目的……………………………………………..3
1-3各章摘要……………………………………………………..4
第二章基本原理……………………………………………………..6
2-1離子束產生原理……………………………………………..6
2-1-1氣體放電原理………………………………………….6
2-1-2離子加速過程……………………………………….....9
2-2碰撞原理…………………………………………………….10
2-2-1離子碰撞現象…………………………………………10
2-3離子束氮化過程…………………………………………….12
2-3-1電荷中和………………………………………………12
2-3-2原子碰撞………………………………………………13
2-3-3間隙原子增強擴散……………………………………13
2-3-4化學反應………………………………………………14
2-4量測儀器工作原理………………………………………….17
2-4 X光光電子能譜儀…………………………………...….17
2-4-1光電效應………………………………………………17
2-4-2化學位移………………………………………………17
2-4-3能譜解析………………………………………………17
2-4-4能譜數據處理…………………………………………18
第三章實驗設備與實驗步驟………………………………………..21
3-1實驗設備………………………………….………………….21
3-1-1真空系統…………………………………………………...21
3-1-2離子槍系統……………………………………………...…25
3-1-3冷卻系統…………………………………………………...25
3-1-4 X光光電子能譜儀…...……………………………………26
3-2實驗步驟……………………………………………………..28
3-2-1實驗準備階段………………………………….…………..28
3-2-2正式實驗階段………………………………………...……29
3-2-3試片檢測階段.......................................................................31
3-3實驗參數……………………………………………………..31
第四章結果與討論…………………………………………………..37
4-1X光光電子能譜儀(XPS)全譜掃描………………………….37
4-2-1 X光光電子能譜儀(XPS)之碳(C1s)元素微區分析………41
4-2-2 X光光電子能譜儀(XPS)之氮(N1s)元素微區分析………43
4-2-3 X光光電子能譜儀(XPS)之矽(Si2p)元素微區分析...........45
4-3不同植入劑量對氮化組態之影響…………………………..48
4-4不同加速電壓對氮化矽層厚度之影響……………………..53
第五章結論與未來展望……………………………………………..57
參考文獻………………………………………………………………59
圖目錄
圖2.1 熱電子撞擊原子之彈性碰撞示意圖…………………………...8
圖2.2熱電子撞擊原子之非彈性碰撞示意圖………………..……….8
圖2.3 離子束碰撞固體表面後產生之物理現象……………………..11
圖2.4 熱氮化與離子束氮化反應路徑流程比較……………………...15
圖2.5 入射離子與空位交換位置示意圖……………………………...16
圖2.6氮離子束與矽材動能反應圖……………..……………………..16
圖2.7光電子發生原理示意圖…………………………………………20
圖3.1實驗系統設備圖…………………………………………………33
圖3.2法拉第杯示意圖…………………………………………………34
圖3.3熱陰極離子真空計示意圖………………………………………34
圖3.4離子源系統示意圖………………………………………………35
圖3.5離子源(氣體放電裝置)………………………………………….35
圖3.6離子束撞擊矽相對位置圖..............................36
圖3.7X光光電子能譜儀(XPS)………………………………………...36
圖4.1矽晶片經過離子束氮化作用後的XPS全譜掃描圖…………..39
圖4.2矽原材的XPS全譜掃描圖……………………………………..39
圖4.3矽原材與經過離子束氮化作用之全譜掃描比較………………40
圖4.4經過(IBN)後樣品做碳元素(C1s)微區掃描能譜圖…………….42
圖4.5經過(IBN)作用的氮元素(N1s)微區掃描圖…………………….44
圖4.6矽原材未經過離子束氮化作用之矽微區分析能譜圖…………46
圖4.7矽片經過離子束氮化作用後之微區分析能譜圖………………47
圖4.8表示在相同加速電壓下，不同植入劑量的百分比趨勢變化…50
圖4.9(a)表示在5keV(dose:1.14*1017)第16層的曲線配湊能譜圖..51
圖4.9(b)表示在5keV(dose:4.57.*1017)第20層的曲線配湊能譜圖.51
圖4.10 10keV與5keV在相同劑量(dose:4.57*1017)中，其氮化矽
與純矽及矽其他化學組態的相對百分比趨勢變化圖.......52
圖4.11(a)、(b)氮化矽層厚度所擷取層數，為氮化矽層濃度百分比超過50(%)之層數................................... 54
圖4.12表示10與5keV加速電壓所形成的氮化矽層深度........55
圖4.13不同加速電壓之氮化矽層厚度比較....................56
圖4.14實驗結果與文獻之氮化矽層厚度比較..................56
表目錄
表3.1實驗參數表.........................................32
表4.1各元素的電子束縛能.................................38
表4.2矽的電子束縛能及其他氮化組態的電子束縛能及其半
高寬...............................................46

參考文獻

參考文獻
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NUMBER 4,15 FEBRUARY 1986

指導教授

李天錫(Benjamin Lee)

審核日期

2008-10-1

推文