TW202316075A - 介電質薄片之等效物理厚度取得方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其施加調制電壓至半導體電容器與第一平板電容器上，以量測半導體電容器與第一平板電容器所對應之第一掃描電容顯微訊號。接著以第二平板電容器取代第一平板電容器，以量測半導體電容器與第二平板電容器所對應之第二掃描電容顯微訊號。最後以第三平板電容器取代第二平板電容器，以量測半導體電容器與第三平板電容器所對應之第三掃描電容顯微訊號。根據上述訊號及第一平板電容器與第二平板電容器之介電質薄片的等效物理厚度，取得第三平板電容器之介電質薄片之等效物理厚度。
Description
本發明係關於一種厚度取得方法，且特別關於一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法。
掃描電容顯微術（scanning capacitance microscopy, SCM）在半導體材料與元件分析上已發展出許多應用，其中最主要之應用為分析金屬-氧化物-半導體場效電晶體（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET）之材料電性，最常見為觀察二維載子濃度分布（two-dimensional carrier concentration distribution）與pn接面（pn junctions）影像。
然而，掃描電容顯微術卻無法量測任何介電質薄片之等效物理厚度。舉例來說，石英元件具有穩定的壓電特性，能夠提供精準且寬廣的參考頻率、時脈控制、定時功能與過濾雜訊等功能；因此，對於電子產品而言，石英元件扮演著舉足輕重的地位。然而，石英晶體片常有表面形貌不平整導致等效物理厚度不均的問題，且此等效物理厚度之分布無法被量測出，進而影響壓電特性。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法，以解決習知所產生的問題。
本發明提供一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其計算出待測平板電容器之介電質薄片之等效物理厚度，藉此解決介電質薄片因材料表面形貌起伏或內部空洞而造成實際物理厚度改變後，如何量測到等效物理厚度之問題，並將掃描電容顯微術擴展到量測介電質薄片之等效物理厚度的領域，以提升掃描電容顯微術之相關應用。
在本發明之一實施例中，一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法包含下列步驟：串聯一半導體電容器與一第一平板電容器，其中第一平板電容器之第一介電質薄片具有已知之第一等效物理厚度，半導體電容器具有空乏區；利用掃描電容顯微術(scanning capacitance microscopy)施加調制(modulation)電壓至半導體電容器與第一平板電容器上，以於空乏區之寬度產生周期性變化，並量測半導體電容器與第一平板電容器所對應之第一掃描電容顯微訊號；以一第二平板電容器取代第一平板電容器，並串聯半導體電容器與第二平板電容器，其中第二平板電容器之第二介電質薄片具有已知之第二等效物理厚度，第二等效物理厚度不同於第一等效物理厚度，第二介電質薄片與第一介電質薄片之材質相同；利用掃描電容顯微術施加調制電壓至半導體電容器與第二平板電容器上，以於空乏區之寬度產生周期性變化，並量測半導體電容器與第二平板電容器所對應之第二掃描電容顯微訊號；根據第一掃描電容顯微訊號、第二掃描電容訊號、第一等效物理厚度與第二等效物理厚度計算一阻抗比例；以一第三平板電容器取代第二平板電容器，並串聯半導體電容器與第三平板電容器，其中第三平板電容器之第三介電質薄片與第一介電質薄片之材質相同；利用掃描電容顯微術施加調制電壓至半導體電容器與第三平板電容器上，以於空乏區之寬度產生周期性變化，並量測半導體電容器與第三平板電容器所對應之第三掃描電容顯微訊號；以及根據第一掃描電容顯微訊號、第三掃描電容顯微訊號、第一等效物理厚度與阻抗比例取得第三平板電容器之第三介電質薄片之第三等效物理厚度。
在本發明之一實施例中，半導體電容器為金氧半電容器。
在本發明之一實施例中，半導體電容器包含電性連接地端之導電探針。
在本發明之一實施例中，第一介電質薄片、第二介電質薄片與第三介電質薄片之材質為絕緣材質。
在本發明之一實施例中，第一掃描電容顯微訊號、第二掃描電容訊號、第一等效物理厚度、第二等效物理厚度與阻抗比例符合下列公式：S1/S2=ZR×k+(1-ZR)，其中S1為第一掃描電容顯微訊號，S2為第二掃描電容訊號，ZR為阻抗比例，k=第二等效物理厚度/第一等效物理厚度。
在本發明之一實施例中，第一掃描電容顯微訊號、第三掃描電容顯微訊號、第一等效物理厚度、第三等效物理厚度與阻抗比例符合下列公式：S1/S3=ZR×h+(1-ZR)，其中S1為第一掃描電容顯微訊號，S3為第三掃描電容顯微訊號，ZR為阻抗比例，h=第三等效物理厚度/第一等效物理厚度。
在本發明之一實施例中，阻抗比例=第一介電質薄片所對應之阻抗/(半導體電容器對應之阻抗+第一介電質薄片所對應之阻抗)。
基於上述，介電質薄片之等效物理厚度取得方法為利用兩個已知不同的等效物理厚度與阻抗比例，計算出待測平板電容器之介電質薄片之等效物理厚度，藉此解決介電質薄片因材料表面形貌起伏或內部空洞而造成實際物理厚度改變後，如何量測到等效物理厚度之問題，並將掃描電容顯微術擴展到量測介電質薄片之等效物理厚度的領域，以提升掃描電容顯微術之相關應用。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效有更進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。
於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。
揭露特別以下述例子加以描述，這些例子僅係用以舉例說明而已，因為對於熟習此技藝者而言，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。在通篇說明書與申請專利範圍中，除非內容清楚指定，否則「一」以及「該」的意義包含這一類敘述包括「一或至少一」該元件或成分。此外，如本揭露所用，除非從特定上下文明顯可見將複數個排除在外，否則單數冠詞亦包括複數個元件或成分的敘述。而且，應用在此描述中與下述之全部申請專利範圍中時，除非內容清楚指定，否則「在其中」的意思可包含「在其中」與「在其上」。在通篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供從業人員(practitioner)在有關本揭露之描述上額外的引導。在通篇說明書之任何地方之例子，包含在此所討論之任何用詞之例子的使用，僅係用以舉例說明，當然不限制本揭露或任何例示用詞之範圍與意義。同樣地，本揭露並不限於此說明書中所提出之各種實施例。
可了解如在此所使用的用詞「包含(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包含(involving)」等等，為開放性的(open-ended)，即意指包含但不限於。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制發明作之申請專利範圍。
此外，若使用「電(性)耦接」或「電(性)連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。舉例而言，若文中描述一第一裝置電性耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。另外，若描述關於電訊號之傳輸、提供，熟習此技藝者應該可了解電訊號之傳遞過程中可能伴隨衰減或其他非理想性之變化，但電訊號傳輸或提供之來源與接收端若無特別敘明，實質上應視為同一訊號。舉例而言，若由電子電路之端點A傳輸(或提供)電訊號S給電子電路之端點B，其中可能經過一電晶體開關之源汲極兩端及/或可能之雜散電容而產生電壓降，但此設計之目的若非刻意使用傳輸(或提供)時產生之衰減或其他非理想性之變化而達到某些特定的技術效果，電訊號S在電子電路之端點A與端點B應可視為實質上為同一訊號。
除非特別說明，一些條件句或字詞，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也許(might)」，或「可(may)」，通常是試圖表達本案實施例具有，但是也可以解釋成可能不需要的特徵、元件，或步驟。在其他實施例中，這些特徵、元件，或步驟可能是不需要的。
以下將提出一種本發明之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其利用兩個已知不同的物理等效厚度與阻抗比例計算出待測平板電容器之介電質薄片之等效物理厚度，藉此解決介電質薄片因材料表面形貌起伏或內部空洞而造成實際物理厚度改變後，如何量測到等效物理厚度之問題，並將掃描電容顯微術擴展到量測介電質薄片之等效物理厚度的領域，以提升掃描電容顯微術之相關應用。
第1(a)圖至第1(c)圖為本發明之一實施例之介電質薄片之等效物理厚度取得方法之各步驟量測示意圖。請參閱第1(a)圖至第1(c)圖，以下介紹本發明之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，首先如第1(a)圖所示，串聯一半導體電容器16與一第一平板電容器18，其中第一平板電容器18之第一介電質薄片180具有已知之第一等效物理厚度，半導體電容器16具有空乏區160。在此不考慮半導體電容器16與第一平板電容器18之介面缺陷。在某些實施例中，半導體電容器16可為金氧半電容器，其包含半導體基板161、氧化層162、導電探針163與電極層164，但本發明並不以此為限。空乏區160形成於半導體基板161中，半導體基板161設於氧化層162與電極層164之間。導電探針163接觸氧化層162，並電性連接掃描電容顯微量測系統20與接地端。掃描電容顯微量測系統20包含超高頻電容感測器(ultra-high frequency capacitance sensor)與鎖頻放大器(lock-in amplifier)。第一平板電容器18包含兩個第一接觸電極181與其之間的第一介電質薄片180。電極層164接觸兩個第一接觸電極181之其中一個，以串聯半導體電容器16與第一平板電容器18，另一個第一接觸電極181電性連接調制電壓源22。調制(modulation)電壓源22用以產生調制電壓Vm，調制電壓Vm是交流電壓。第一介電質薄片180之材質可為絕緣材質，例如矽酸鹽玻璃、石英、氧化鋯或藍寶石，但本發明不限於此。
接著，利用掃描電容顯微術(scanning capacitance microscopy)與調制電壓源22施加調制電壓Vm至半導體電容器16與第一平板電容器18上，以於空乏區160之寬度產生周期性變化，並利用掃描電容顯微量測系統20量測半導體電容器16與第一平板電容器18所對應之第一掃描電容顯微訊號。第一掃描電容顯微訊號的單位為伏特，電容值之變化量除以電壓值的變化量會正比第一掃描電容顯微訊號。第一掃描電容顯微訊號係以S1表示，空乏區160之阻抗以Zd表示，氧化層162之阻抗以Zox表示，導電探針163之阻抗以Zpro表示，半導體基板161之阻抗以Zsub表示，電極層164之阻抗以Zbc表示，因為Zox、Zpro、Zsub與Zbc都是固定的，只有Zd會隨著調制電壓Vm變動，所以S1=α(
)×Vm=α×(
)×Vm，其中α為系統參數，Z1為第一介電質薄片180所對應之阻抗，Z’=Zox+Zpro+Zsub+Zbc。
量測完第一掃描電容顯微訊號後，如第1(b)圖所示，以一第二平板電容器24取代第一平板電容器18，並串聯半導體電容器16與第二平板電容器24，其中第二平板電容器24之第二介電質薄片240具有已知之第二等效物理厚度，第二等效物理厚度不同於第一等效物理厚度，第二介電質薄片240與第一介電質薄片180之材質相同。在此不考慮第二平板電容器24之介面缺陷。第二平板電容器24包含兩個第二接觸電極241與其之間的第二介電質薄片240。電極層164接觸兩個第二接觸電極241之其中一個，以串聯半導體電容器16與第二平板電容器24，另一個第二接觸電極241電性連接調制電壓源22。第二介電質薄片240之材質可為絕緣材質，例如矽酸鹽玻璃、石英、氧化鋯或藍寶石，但本發明不限於此。
接著，利用掃描電容顯微術與調制電壓源22施加調制電壓Vm至半導體電容器16與第二平板電容器24上，以於空乏區160之寬度產生周期性變化，並利用掃描電容顯微量測系統20量測半導體電容器16與第二平板電容器24所對應之第二掃描電容顯微訊號。第二掃描電容顯微訊號的單位為伏特，電容值之變化量除以電壓值的變化量會正比第二掃描電容顯微訊號。第二掃描電容顯微訊號係以S2表示，因為Zox、Zpro、Zsub與Zbc都是固定的，只有Zd會隨著調制電壓Vm變動，所以S2=α(
)×Vm，其中Z2為第二介電質薄片240所對應之阻抗。
再來，根據第一掃描電容顯微訊號S1、第二掃描電容訊號S2、第一等效物理厚度與第二等效物理厚度計算一阻抗比例ZR。因為第二介電質薄片240與第一介電質薄片180之材質相同，並假設k=第二等效物理厚度/第一等效物理厚度，所以Z2=k×Z1。因此，S1/S2=(Z’+ k×Z1)/(Z’+Z1)=[Z1/(Z’+Z1)] ×k+[1-Z1/( Z’+Z1)]= ZR×k+(1-ZR)，其中ZR= Z1/( Z’+Z1)，即阻抗比例ZR=第一介電質薄片180所對應之阻抗/(半導體電容器16對應之阻抗+第一介電質薄片180所對應之阻抗)。
阻抗比例ZR取得後，如第1(c)圖所示，以一第三平板電容器26取代第二平板電容器24，並串聯半導體電容器16與第三平板電容器26，其中第三平板電容器26之第三介電質薄片260與第一介電質薄片180之材質相同。在此不考慮第三平板電容器26之介面缺陷。第三平板電容器26包含兩個第三接觸電極261與其之間的第三介電質薄片260。電極層164接觸兩個第三接觸電極261之其中一個，以串聯半導體電容器16與第三平板電容器26，另一個第二接觸電極261電性連接調制電壓源22。第三介電質薄片260之材質可為絕緣材質，例如矽酸鹽玻璃、石英、氧化鋯或藍寶石，但本發明不限於此。
接著，利用掃描電容顯微術與調制電壓源22施加調制電壓Vm至半導體電容器16與第三平板電容器26上，以於空乏區160之寬度產生周期性變化，並利用掃描電容顯微量測系統20量測半導體電容器16與第三平板電容器26所對應之第三掃描電容顯微訊號。第三掃描電容顯微訊號的單位為伏特，電容值之變化量除以電壓值的變化量會正比第三掃描電容顯微訊號。第三掃描電容顯微訊號係以S3表示，因為Zox、Zpro、Zsub與Zbc都是固定的，只有Zd會隨著調制電壓Vm變動，所以S3=α(
)×Vm，其中Z3為第三介電質薄片260所對應之阻抗。
最後，根據第一掃描電容顯微訊號S1、第三掃描電容顯微訊號S3、第一等效物理厚度與阻抗比例ZR取得第三平板電容器26之第三介電質薄片260之第三等效物理厚度。因為第三介電質薄片260與第一介電質薄片180之材質相同，並假設h=第三等效物理厚度/第一等效物理厚度，所以Z3=h×Z1。因此，S1/S3=(Z’+ h×Z1)/(Z’+Z1)=[Z1/(Z’+Z1)] ×h+[1-Z1/( Z’+Z1)]= ZR×h+(1-ZR)。因為S1、S3與ZR皆為已知，所以得到h與第三等效物理厚度。
根據上述實施例，介電質薄片之等效物理厚度取得方法為利用兩個已知不同的物理等效厚度與阻抗比例計算出待測平板電容器之介電質薄片之等效物理厚度，藉此解決介電質薄片因材料表面形貌起伏或內部空洞而造成實際物理厚度改變後，如何量測到介電質薄片之等效物理厚度之問題，並將掃描電容顯微術擴展到量測等效物理厚度的領域，以提升掃描電容顯微術之相關應用。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:導電探針
12:矽基樣品
14:氧化層
16:半導體電容器
160:空乏區
161:半導體基板
162:氧化層
163:導電探針
164:電極層
18:第一平板電容器
180:第一介電質薄片
181:第一接觸電極
20:掃描電容顯微量測系統
22:調制電壓源
24:第二平板電容器
240:第二介電質薄片
241:第二接觸電極
26:第三平板電容器
260:第三介電質薄片
261:第三接觸電極
Vm:調制電壓
第1(a)圖至第1(c)圖為本發明之一實施例之介電質薄片之等效物理厚度取得方法之各步驟量測示意圖。
16:半導體電容器
160:空乏區
161:半導體基板
162:氧化層
163:導電探針
164:電極層
18:第一平板電容器
180:第一介電質薄片
181:第一接觸電極
20:掃描電容顯微量測系統
22:調制電壓源
Vm:調制電壓
Claims (7)
- 一種介電質薄片之等效物理厚度取得方法，包含下列步驟： 串聯一半導體電容器與一第一平板電容器，其中該第一平板電容器之第一介電質薄片具有已知之第一等效物理厚度，該半導體電容器具有空乏區； 利用掃描電容顯微術(scanning capacitance microscopy)施加調制(modulation)電壓至該半導體電容器與該第一平板電容器上，以於該空乏區之寬度產生周期性變化，並量測該半導體電容器與該第一平板電容器所對應之第一掃描電容顯微訊號； 以一第二平板電容器取代該第一平板電容器，並串聯該半導體電容器與該第二平板電容器，其中該第二平板電容器之第二介電質薄片具有已知之第二等效物理厚度，該第二等效物理厚度不同於該第一等效物理厚度，該第二介電質薄片與該第一介電質薄片之材質相同； 利用該掃描電容顯微術施加該調制電壓至該半導體電容器與該第二平板電容器上，以於該空乏區之寬度產生周期性變化，並量測該半導體電容器與該第二平板電容器所對應之第二掃描電容顯微訊號； 根據該第一掃描電容顯微訊號、該第二掃描電容顯微訊號、該第一等效物理厚度與該第二等效物理厚度計算一阻抗比例； 以一第三平板電容器取代該第二平板電容器，並串聯該半導體電容器與該第三平板電容器，其中該第三平板電容器之第三介電質薄片與該第一介電質薄片之材質相同； 利用該掃描電容顯微術施加該調制電壓至該半導體電容器與該第三平板電容器上，以於該空乏區之寬度產生周期性變化，並量測該半導體電容器與該第三平板電容器所對應之第三掃描電容顯微訊號；以及 根據該第一掃描電容顯微訊號、該第三掃描電容顯微訊號、該第一等效物理厚度與該阻抗比例取得該第三平板電容器之第三介電質薄片之第三等效物理厚度。
- 如請求項1所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該半導體電容器為金氧半電容器。
- 如請求項1所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該半導體電容器包含電性連接地端之導電探針。
- 如請求項1所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該第一介電質薄片、該第二介電質薄片與該第三介電質薄片之材質為絕緣材質。
- 如請求項1所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該第一掃描電容顯微訊號、該第二掃描電容顯微訊號、該第一等效物理厚度、該第二等效物理厚度與該阻抗比例符合下列公式： S1/S2=ZR×k+(1-ZR)，其中S1為該第一掃描電容顯微訊號，S2為該第二掃描電容顯微訊號，ZR為該阻抗比例，k=該第二等效物理厚度/該第一等效物理厚度。
- 如請求項5所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該第一掃描電容顯微訊號、該第三掃描電容顯微訊號、該第一等效物理厚度、該第三等效物理厚度與該阻抗比例符合下列公式： S1/S3=ZR×h+(1-ZR)，其中S1為該第一掃描電容顯微訊號，S3為該第三掃描電容顯微訊號，ZR為該阻抗比例，h=該第三等效物理厚度/該第一等效物理厚度。
- 如請求項5所述之介電質薄片之等效物理厚度取得方法，其中該阻抗比例=該第一介電質薄片所對應之阻抗/(該半導體電容器對應之阻抗+該第一介電質薄片所對應之該阻抗)。
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| TW110136408A TWI800932B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 介電質薄片之等效物理厚度取得方法 |
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| TW202316075A true TW202316075A (zh) | 2023-04-16 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4650787A1 (en) * | 2024-05-14 | 2025-11-19 | Msscorps Co., Ltd. | Method for obtaining the dielectric constant of a dielectric sheet |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7001785B1 (en) * | 2004-12-06 | 2006-02-21 | Veeco Instruments, Inc. | Capacitance probe for thin dielectric film characterization |
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2021
- 2021-09-30 TW TW110136408A patent/TWI800932B/zh active
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| EP4650787A1 (en) * | 2024-05-14 | 2025-11-19 | Msscorps Co., Ltd. | Method for obtaining the dielectric constant of a dielectric sheet |
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