半導體與光電元件 電性量測與製程技術 合作研發聯盟 國立中山大學物理系 張鼎張教授 TEL:0939-250-246 tcchang@mail.phys.nsysu.edu.tw
元件電性量測與製程技術合作研發聯盟 合作架構 中國鋼鐵公司 ( 中鋼轉投資靶材公司 ) 新穎靶材開發 光洋應用材料科技公司新穎靶材開發 配合公司可提供研發使用之新穎材料 (Sputter 靶材 CVD 與 ALD 前驅物 ) 上游廠商 南美特科技公司新穎前驅物開發 華新科技公司顯示面板被動元件開發 藉由本實驗室已建立顯示器研發技術 ( 量測 製程 材分技術 ) 開發新穎材料之產品提升研發技術與產品競爭力 本研究團隊 本實驗室協助並建立相關研究技術與能力 ( 元件開發與釐清物理機制 ) 開發前瞻新穎元件之產品提升研發技術與產品競爭力 下游廠商 ( 友達 奇美 ) 提供相關研究樣本與規格 下游廠商 顯示器產業公司友達 奇美顯示面板公司
元件電性量測與製程技術合作研發聯盟 服務項目 1. 協助各式半導體與光電元件製程技術開發 2. 半導體元件電性量測分析 3. 半導體元件材料分析 4. 提供半導體與光電元件相關技術諮詢 5. 半導體與光電元件相關技術人才培訓與授課
張鼎張教授實驗室 簡介 國立中山大學物理系 張鼎張教授
元件電性量測分析系統 半導體製程設備 研究題目與計劃
元件電性量測分析系統 1. 半導體精準參數量測系統 - 五套完整 I-V 與 C-V Probe Station 2. 低溫 & 低溫高磁場量測平台 3. Bending 量測 (Strained Si ) 4. ISE-TCAD 元件模擬
電性量測分析平台總覽
多功能半導體量測分析系統
Multi-Function Semiconductor Parameter Analyzer Agilent B1500A ( 3 台 ) - including I-V, C-V, High power, PGU, and WGFMU (B1530) module Agilent 4156C ( 2 台 ) Keithley 4200 including I-V, C-V LCR Analyzer - Agilent 4294A, 4284A and 4980A Pulse Generator - Agilent 81110A and 41501B ( 3 台 ) Switch Mainframe Agilent B2201A ( 3 台 ) and E5250A ( 3 台 ), Keithley 708A
量測平台 (Probe-Station) 1. Cascade Microtech M150-6-in thermal chuck (RT~200 o C) 2. Cascade Microtech M150-6-in thermal chuck (RT~300 o C) 3. LakeShore TTP-6 2-in cryogenic chuck (4 o K~400 o C) 4. LakeShore CPS-VF 2-in cryogenic chuck (4 o K~125 o C) Superconducting magnet (B=2T)
Dark Box Inside Cascade Microtech M150 Triaxial Probe 4 for DC measure Triaxial Kevin Probe 4 for PIV measure 6-in thermal chuck (RT~473K), enable to measure 12-in Si wafer
RSU(Remote Source Unit) Ceramic Probe
電性量測分析儀器 Pulse Generator Agilent 81110A LCR Meter Agilent 4294A Switch Mainframe Agilent B2201A Switch Mainframe Agilent B2201A Agilent B1500A Agilent B1500A Temperature controller LakeShore 331 Agilent 4156C Digital-Scope AgilentDSO8104A Pulse Generator Agilent 41501B Switch Mainframe E5250A Thermal controller
低溫半導體量測分析平台 LCD O 2 N 2 Dewar Liquid Nitrogen Chamber Chamber H 2 O Vapor Vacuum Pump 磁場 溫度控制器
Chamber Components Triaxial Probe 5 Optical Fiber 1 2-in triaxial chuck 4K~400K RT~600K Atmosphere Control Air Oxygen Nitrogen Vacuum Superconducting magnet (2T) Ceramic Probe
Bending Flexible Display Strained Silicon. tensile strain compressive strain
半導體製程設備
設備機台 感應耦合式電漿蝕刻系統 (ICP-Etcher) 高密度電漿化學氣相沉積系統 (HDP-CVD) 雙電子束蒸鍍系統 (Dual E-Beam Evaporator) 多靶磁控濺鍍系統 (Muti-Target Suptter) 快速熱退火系統 (RTA) 雷射退火系統 (Laser Annealing System ) 雷射鍍膜系統 (Laser Ablation System ) 光罩對準機 (Mask Aligner and Exposure System ) 濕式清洗與蝕刻台 (Wet Bench) 有機清洗台
設備機台 薄膜特性分析儀 (n & k analyzer) 三維輪廓儀 (3D Alpha-Step Profilometer) 四點探針 (4 Point Probe) 傅立葉轉換中紅外線光譜儀 (FTIR) 雙槍聚焦離子束 (Focus Ion Beam)(FIB)
感應耦合式電漿蝕刻系統 高密度電漿化學氣相沉積系統 雙電子束蒸鍍系統 多靶磁控濺鍍系統 快速熱退火系統 薄膜特性分析儀 四點探針 理 1012 玻璃切割機
理 1013 雷射退火系統 雷射鍍膜系統 三維輪廓儀 光罩對準機 超音波洗靜機 濕式蝕刻與清洗台 有機清洗台
儀器名稱 : 中文名稱 : 多靶磁控濺鍍系統 英文名稱 :Multi-Target Sputter 儀器廠牌 型號 : 廠牌及型號 : 聚昌, Psur-100HB
儀器功能 : 薄膜沉積 : 可鍍各種金屬 合金 半導體 絕緣體 透明導電體 (ITO ZnO InGaZnO) 可通入氣體 :Ar O 2 N 2 NH 3 H 2 製程最高溫度 :400 1 組 DC 電源供應器 (1000W 輸出 ) 及 2 組 RF 電源供應器 (1200W 輸出 ) 可共鍍 真空度 (base pressure) 約為 5E-6 torr, 濺渡時最低操作壓力可達 2 mtorr
4 吋靶材共計 67 種 半導體靶 (5) 金屬靶 (18) 金屬靶 (5) 靶材 Purity 備註 靶材 Purity 備 註 靶材 Purity 備註 Si 99.99% D7009 Mg 99.99% D7009 Hf 99.95% p+ 99.99% Al 99.99% D7009 Ta 99.95% D7009 n+ 99.99% Ti 99.90% W 99.96% Ge 99.99% D7009 (3mm) V 99.99% Pt 99.99% SiGe 99.99% D7009 (0.5:0.5) Cr 99.99% In 99.99% 金屬矽化物靶 (6) Fe 99.99% D7009(1mm) 靶材 Purity 備註 Co 99.99% D7009(1;3mm 各一 ) C 99.99% TiSi 2 99.90% Ni 99.95% D7009(1mm) CoSi 2 99.90% D7009 (3 ; 6mm 各一 )(1:2) Cu 99.99% 金屬混靶 (2) NiSi 2 99.90% D7009 (6mm) Zn 99.99% 靶材 Purity 備註 MoSi 2 99.90% Mo 99.99% Zr/Hf 99.90% D7009 (Hf<4%) MnSi 2 99.99% D7009 (3mm) (1:2) Mn 99.99% D7009 Cu/Mg 99.90% D7009 (95.5 : 4.5) WSi 2 99.99% Ag 99.95% 固態電解質靶 (2) In 99.99% 靶材 Purity 備註 Sn 99.99% CuTe 99.90% D7009 Gd 99.99% D7009 CuS 99.90% D7009 Er 99.95%
氮化物靶 靶材 Purity 備註 Si 3 N 4 99.99% BN 99.99% AlN 99.99% D7009 TiN 99.99% TaN 99.99% 多元金屬氧化物 靶材 Purity 備註 ITO (90:10)w t * D7009 IGZO 99.99% D7009 (1:1:1) AZO 99 +1 % Y 2 TiO 5 99.99% Er 2 TiO 5 99.99% D7009 BiFeO 3 99.99% TbMn 2 O 5 99.99% D7009 DyMn 2 O 5 99.99% D7009 D7009(ZnO+Al 2 O 3) 氧化物靶 靶材 Purity 備 註 B 2 O 3 99.99% Al 2 O 3 99.99% * D7009 SiO 2 99.99% TiO 2 99.99% D7009 VO 99.99% D7009 ZnO 99.99% D7009 (6mm) Ga 2 O 3 99.99% Y 2 O 3 99.99% D7009 ZrO 2 99.99% In 2 O 3 99.99% Sm 2 O 3 99.99% Gd 2 O 3 99.99% Er 2 O 3 99.99% D7009 Yb 2 O 3 99.99% D7009 HfO 2 99.99% Ta 2 O 5 99.99%
儀器名稱 : 中文名稱 : 高密度電漿化學氣相沉積系統 英文名稱 :High Density Plasma Chemical Vapor Deposition 儀器廠牌 型號 : 廠牌及型號 : 聚昌, Ciede-200
儀器功能 : 薄膜沉積 (SiO 2 Si 3 N 4 Si Ge SiGe GeO GeN SiGeO SiGeN SiON 等 ) 可通入氣體 SiH 4 N 2 O NH 3 CF 4 GeH 4 O 2 N 2 製程溫度最高可至 300 電漿產生裝置 : 射頻 (RF) 產生器 電漿 - 輸出功率 = 1,200W 基板偏壓 - 輸出功率 = 600W 全自動真空 Load Lock 真空度 (base pressure) 約為 5E-6 torr, 沉積時最低操作壓力可達 2 mtorr
儀器名稱 : 中文名稱 : 感應耦合式電漿蝕刻統 英文名稱 :Inductive Couple Plasma Etcher 儀器廠牌 型號 : 廠牌及型號 : 聚昌, Cirie-200
儀器功能 : 薄膜蝕刻 1 絕緣體 : SiO 2,Si 3 N 4,Al 2 O 3,... 2 半導體 : Si,Ge,GaAs,GaN,... 3 金屬 : Al,Ti,TiN,... 4 透明導電膜 : ITO,ZnO,... 可通入氣體 : Cl 2 Ar N 2 O 2 CF 4 N 2 O H 2 真空度 (base pressure) 約為 5E-6 torr, 蝕刻時最低操作壓力可達 2 mtorr
儀器名稱 : 中文名稱 : 快速熱退火系統 英文名稱 : Rapid Thermal Annealing System 儀器廠牌 型號 : 廠牌及型號 : 聚昌, FA04
儀器功能 : 可通入氣體 :NH 3 H 2 N 2 O 2 Ar H 2 O 可以將樣本氮化, 氧化, 真空退火 最高溫度 :1000 o C ( 建議退火溫度小於 900 o C, 否則載盤會變型損壞 ) 真空度 (base pressure):5e-6 Torr 自動控壓 (Auto Pressure Control) 設備規格及適用基板 : 6 及以下之樣品或破片 ( 用於作為載盤的 6 Si 晶圓請自行準備或可向本實驗室購買 )
儀器名稱 : 中文名稱 : 雙電子槍蒸鍍機英文名稱 : Dual E-Beam Evaporator 儀器廠牌 型號 : 廠牌及型號 : 聚昌, Peva-600
儀器功能 : 薄膜沉積 : 可沉積各種不同金屬, 合金 可雙槍 (dual-gun) 共鍍 : 可鍍各種不同合金 製程溫度最高可至 350 o C 真空度 (base pressure):5e-6 Torr 設備規格及適用基板 : non-uniformity: < 10% 6'' 及以下之樣品或破片 可放坩鍋數目 :Dual-gun 共 12 顆
加熱器 載盤 ( 可放置 7 片 6 wafer) 石英震盪器 shutter 每支 Gun 可放置 6 種鍍料
半導體鍍料 鍍料 Purity 備註 金屬鍍料 鍍料 Purity 備註 Si 99.99% 100g Al 99.99% 900g Ge 99.99% 100g Ti 99.99% 100g SiGe 1:1 100g Cu 99.99% 100g 絕緣層鍍料 Ta 99.999% 100g 鍍料 Purity 備註 Co 99.95% 100g SiO 2 99.99% 100g Mo 99.95% 100g Si 3 N 4 99.99% 100g W 99.99% 100g 金屬氧化物鍍料 Zn 99.99% 100g 鍍料 Purity 備註 Ni 99.99% 100g ITO (90:10) wt% 100g Er 99.99% 100g ZnO 99.99% 100g Mg 99.99% 100g HfO 2 99.99% 100g Zr 99.99% 100g Al 2 O 3 99.99% 100g Cr 99.99% 100g In 99.99% 500g Hf 99.99% 200g
n&k Analyzer 1280 n&k 薄膜特性分析儀 Reflectance & Transmittance
n&k Analyzers simultaneously, accurately, and rapidly determine: Thickness (all kinds of Material) Spectra of Optical Properties (from 190nm to 1000nm) Index of refraction, n(l) Extinction coefficient, k(l) of thin films, in single or multi-layer stacks, on opaque or transparent substrates n&k Analyzers also determine: Reflectance (R) from 190nm-1000nm Transmittance (T) from 190nm to 1000nm (RT series) Energy band gap (Eg) Interface roughness Depth Trench n&k Analyzers can correlate: Composition (e.g. Si-to-N ratios in SiNx) Crystallinity (e.g. a-si, poly-si, c-si)
Ability to measurement very thin films
儀器性能 : 反射率與厚度量測時間 :7 秒內 (NIST SiO2/Si 標準片 ) 穿透率與厚度量測時間 :7 秒內 ( 透明之平面石英基板 ) 可厚度量測範圍 : - 半導體膜 :2Å ~ 10um 或以上 - 介電層膜 :2Å ~ 10um 或以上 - 聚合物膜 :2Å ~ 10um 或以上 ( 如光阻等 ) - 金屬膜 :2Å ~ 800Å - 厚度解析度 :1Å
傅立葉轉換紅外光譜儀 ( 中紅外光區域 ) Fourier-Transform Infrared Spectrometer(Mid-IR) Bruker VERTEX 70v Vacuum FT-IR Spectrometer
儀器性能 : 本真空式傅立葉轉換紅外光譜儀機台可量測待測樣品的中紅外區段光譜 (7500~400 cm -1 ), 並避免大氣中水氣及 CO 2 對光譜的影響, 快速提供高解析度 ( 最佳解析度可至 0.4 cm -1 ) 的官能基峰值位置 本機台備有穿透及反射 (30 度角 ) 兩種基座可供自行量測使用, 以及可一次量測完穿透及反射 (11 度角 ) 光譜的配件 配置的無油式幫浦可於 5 分鐘內將腔體抽至 0.2mbar 提供高感度及高穩定度的真空量測環境 取樣速度 : 每樣本所需時間為 3~5 分鐘
SiO 2 1050 Si-O 450
雙束型聚焦離子束 Focus Ion Beam (FIB)
Basic Structure SEM Accelerating Voltage: 0.5-15kV Resolution: 5nm V ACC =1kV @beam coincident point FIB Accelerating Voltage: 5-30kV Resolution: 4nm V ACC =30kV Max Current Density: Bigger than 30A/cm 2 Stage(5-Axis Motor Drive) XY Stroke: 50, 200, 300mm Tilt Stroke: -3 ~ 60 Rotation: 0 ~ 360 Conveyance Method: Holder (Corresponds to Various Sample) SEM FIB 55 60 Stage
SEM FIB CCD SED Ion Pump Main Chamber Sub Chamber
Etching Time Comparison by STEM samples preparation time Find point to be processed Make reference for drift correction FIB process 2 min. x 5 = 10 min. 3 min. x 5 = 15 min. 4 min. x 5 = 20 min. Conditions Number of specimen: 5 on a wafer Size: 3µm(W) x 3µm(D) x 0.1µm(T) Sample: Si wafer 3µm 0.1µm 3µm Reason 1. Higher current density 2. Usable actual higher current
Auto TEM Sample Preparation Side Cut Thickness less than 0.1µm Fibbing Time Within 10min (Bare Si)
Multiple Gas Supply Gas Injector W or Pt C Specimen chamber Selector TEMP. TEMP. TEMP. T Gas E Gas Controller T Gas: Insulator Depo. E Gas: Resist Enhancement Etching Gas B: Backup Cabinet Up to 8 materials
Electrode made by Pt Depo. Less than 100nm Process Condition Probe Current: 0.5pA Process Area: 1µm x 0.001µm 1 line scan Dose: 1 x 10 17 ions/cm 2
Electrode made by Pt Depo Cleaning
3D-CAD Data Nano-toilet (3D-CAD) 30kV,Ga+,9pA Bitmap:100 sheets Sample:Si wafer 2µm
實驗室目前研究方向及合作公司 薄膜電晶體 ( TFT: Thin Film Transistor ) InGaZnO TFT 產學合作公司 : 友達 (AUO) X2 奇美 (CM) 工研院顯示中心 22 nm 金氧半場效電晶體 (Metal gate/high-k MOSFET) 產學合作公司 : 聯電 (UMC) SOI Power MOSFET 產學合作公司 : 台積電 (TSMC) 非揮發性電阻式記憶體 (RRAM) ( 奈米國家型計畫 ) 產學合作公司 : 工研院電光所台積電 (TSMC)
Publication List : (2008- 迄今近五年著作 ) 本實驗室擁有良好的研究成果 近五年 (2008~ 迄今 ) 本人為通訊作者共發表 187 篇 SCI 國際期刊 Materials Today(IF:6.071)1 篇 ( invited review paper ) Applied Physics Letters(IF:3.794)55 篇 IEEE Electron Device Letter (IF: 2.789) 28 篇 相關研究成果並獲得 : 55 項中華民國發明專利 ( 含公開中專利 25 項 ) 14 項美國發明專利 ( 含公開中專利 4 項 ) 9 項技術轉移
發明專利 (2008- 迄今近五年共 85 項 ) A. 美國專利 14 項 ( 含公開中專利 4 項 ) B. 台灣專利 55 項 ( 含公開中專利 25 項 ) C. 大陸專利 12 項 ( 含公開中專利 6 項 ) D. 日本專利 2 項 ( 公開中 ) E. 歐洲專利 1 項 ( 公開中 ) F. 澳洲專利 1 項 ( 公開中 )
技術轉移 (9 項 ) 1. 程式化非揮發性記憶體之方法, 宏碁技轉編號 PNAI-AQ-0013 2. 一種使 SONOS 電晶體兼具開關以及記憶體的新穎方法, 宏碁技轉編號 PNAI- AQ-0103 3. 一種增進記憶體判讀的方法, 宏碁技轉編號 PNAI-AQ-0101 4. 抹除非揮發性記憶體之方法, 宏碁技轉編號 PNAI-AQ-0041 5. 一種利用薄膜電晶體作為非揮發性記憶體之方法及其裝置, 宏碁技轉編號 PNAI-AQ-0034 6. 記憶體元件之操作方法, 宏碁技轉編號 PNAI-AQ-0121 7. 具二極體整流能力的電阻式記憶體結構, 工研院 / 技轉中心編號 : 專利 P28000003TW 8. 兼具畫素開關與光偵測器功能之雙閘極電晶體以及觸控式元件之應用, 工研院 / 技轉中心編號 : 專利 P28000009TW 9. 多孔 (Porous) 層引入延伸電極結構改善電阻式記憶體切換特性之結構, 工研院 / 技轉中心編號 : 專利 P28010001TW
元件電性量測與製程技術合作研發聯盟 合作架構 中國鋼鐵公司 ( 中鋼轉投資靶材公司 ) 新穎靶材開發 光洋應用材料科技公司新穎靶材開發 配合公司可提供研發使用之新穎材料 (Sputter 靶材 CVD 與 ALD 前驅物 ) 上游廠商 南美特科技公司新穎前驅物開發 華新科技公司顯示面板被動元件開發 藉由本實驗室已建立顯示器研發技術 ( 量測 製程 材分技術 ) 開發新穎材料之產品提升研發技術與產品競爭力 本研究團隊 本實驗室協助並建立相關研究技術與能力 ( 元件開發與釐清物理機制 ) 開發前瞻新穎元件之產品提升研發技術與產品競爭力 下游廠商 ( 友達 奇美 ) 提供相關研究樣本與規格 下游廠商 顯示器產業公司友達 奇美顯示面板公司
元件電性量測與製程技術合作研發聯盟 服務項目 1. 協助各式半導體與光電元件製程技術開發 2. 半導體元件電性量測分析 3. 半導體元件材料分析 4. 提供半導體與光電元件相關技術諮詢 5. 半導體與光電元件相關技術人才培訓與授課