高介電係數與低損耗材料之先進測量技術

刊登日期:2016/7/5
  • 字級

先進半導體製程不斷朝向縮小元件尺寸挑戰,以滿足行動裝置輕薄化的需求。然而,在半導體元件的尺度不斷縮小,半導體元件中閘極絕緣氧化層的厚度也愈來愈薄,電子更容易穿隧過絕緣氧化層或穿隧過通道,致使半導體元件失靈,因此高介電係數(High-k)材料取代以往的二氧化矽絕緣氧化層必定是不可避免的。那麼如何量測高介電材料的特性就是一門非常關鍵的技術,首先,我們提出修正空腔微擾法,使用兩個已知樣品來校正,此法可大大提高精確度與適用範圍。第二個提出的方法是強化電場法,此法完全跳脫微擾概念,且將樣品置於最大電場強度位置,以增強耦合強度與量測精確度,這個方法甚至可量測介電係數至數百,甚至上千。

修正空腔微擾法
回顧過去慣用的空腔微擾法(Cavity Perturbation Method),這方法廣泛的運用量測材料的電磁特性,其基本原理為放入一小塊的介電材料至共振腔內,造成共振頻率的漂移及品質因子的變化,這個樣品尺寸要求須遠小於共振腔內部尺寸;然而,慣用的空腔微擾法樣品尺寸相對要遠小於腔體,對於高介電係數及低損耗材料而言,因變化反應較不敏感,此方法較難精確量測;再者,此方法只用一個校正樣品,當待測樣品遠離校正樣品的參考值或是校正值時,誤差也會越來越大。因此,我們提出了一個新型的修正空腔微擾法(Modified Cavity Perturbation Method),首先,我們選擇了 SiC 作為測試樣品,因 SiC 具有良好耐腐蝕、硬度、熱傳導性、低熱膨脹係數、高溫不氧化等特性,是非常好的工業應用材料,再者,一般材料並不是很好的微波吸收材料,如我們要量測一般材料在不同溫度下的介電特性變化,此時 SiC 是非常優良的輔助加熱材料;當然此種方式要先找出 SiC 在不同溫度下的介電特性變化,以此為基準再量測樣品材料特性。



圖一、(a)慣用及(b)修正空腔微擾法的程序

強化電場法
這是一個革命性的做法,完全脫離微擾思維。前述修正空腔微擾法,使用兩個已知樣品來校正(慣用的方法只使用一個已知樣品做校正),獲得較大的量測範圍。然而,已知樣品不易獲得,且介電量測範圍有限,不適合高介電係數量測。因此,我們提出一新想法—強化電場法(Enhanced Field Method),完全跳脫微擾的限制。將待測樣品置於一個特殊設計的腔體之電場最大處,來加強共振頻率及品質因子的變化量,故名強化電場法,對高介電及低損耗材料有絕對的優勢。

此法直接與全波模擬器 HFSS 模擬作比對,所以較沒有樣品尺寸限制。此方法不需已知樣品及複雜的方程式推導,僅使用單純的模擬結果與量測到之共振頻率及品質因子比對出εʹ及εʺ。圖六(a)展示了兩個(有/沒有)金屬圓柱形空腔的電場強度,圓柱形空腔存在的金屬柱造成了基本 TM010 模式的電場變形,金屬柱吸引能量,進而增強了周遭電場強度,可以看見樣品內部電場強度由藍色變為淺藍色,因我們是針對介電材料量測,樣品放置於磁場最弱及電場最強的地方,所以就算是磁性材料樣品,也幾乎不會影響電磁場分布。且在GHz頻帶,幾乎所有材料的相對磁性係數皆……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖六、(a)模擬有/沒有金屬柱的腔體內部電場分布圖;(b)電場強度沿著(a)中的虛線;(c)模擬有/沒有金屬柱的相對介電係數與共振頻率響應

作者:趙賢文、張存續 / 國立清華大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。

分享
為此篇文章評分

延伸閱讀