本實驗元件製程部份，涵蓋了半導體主要的四個模組步驟，有微 影(Photo)、蝕刻(Etch)、薄膜(Thin film)及擴散(Difussion)等等；量測 的部份則有原子力顯微鏡(AFM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)以及聚焦 式離子顯微鏡(FIB)等等，最後再透過 HP-4145 參數分析系統來量測 電性。圖3-1 顯示整體製程步驟順序。整體實驗製程的變數在於氧化 米元件實驗室的Wet Bench機台，來進行爐管長晶前的清洗；經由RCA clean步驟，來有效洗淨晶圓上的有機、無機、金屬微粒及原生氧化層，
表3-2呈現RCA Clean流程。
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之後則將洗淨的晶圓，放入國家奈米元件實驗室的常壓化學氣相 沉積(APCVD)水平爐管機台，來進行生長氧化層的步驟，並分別透過 Wet Oxide及Dry Oxide兩種模式來控制氧化層厚度。(本實驗氧化層厚 度設定為500AO 及1000AO )，成長完後，再透過國家奈米元件實驗室的 n & k-薄膜測厚儀來進行厚度確認；圖3-3顯示n & k-薄膜測厚儀運作 原理。
3-2 電子束微影製程(Electron Beam Lithography)
使用的電子束微影系統為國立台灣大學資電中心的電子束微影系 統（Electron Beam Lithography System, EBLS），見圖3-4。由日本 ELIONIX Inc.所製造，機台型號為ELS-7500EX，裝備ZrO/W 熱場發 射電子槍，又稱為蕭特基發射（Schottky Emission），電子束形狀為 高斯束，加速電壓可達50kV。使用的電子阻劑、顯影液以及光阻去 除液分別為ZEON Corp.所生產的ZEP-520A、ZEP-N50以及ZDMAC。
進行微影步驟前，先將四吋晶圓切成邊長2cm*2cm大小的晶圓破 片，以利後續製程圖形設計。接著開始進行微影步驟。而電子束微影 製程，大致上可以分成三個步驟：第一步驟為塗佈光阻(Spin Coating) 及軟烤(Soft Bake)，第二步驟為曝光(Exposure)，最後步驟則進行顯影 (Develop)，如圖3-5。
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- 50 - 域，如圖3-9。表3-3呈現濕式蝕刻(Wet Etch)與乾式蝕刻(Dry Etch)的
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比較。蝕刻步驟有二點需特別注重；第一點就是確保製程圖形能夠進 行均勻性地蝕刻，此點目的在於使接下來的沈積製程能有效地填滿到 製程區域，由於製程圖形為洞的陣列，所以需確保每個洞的蝕刻成像 都能一致。第二點則需將製程圖形區域的氧化層通通吃穿，此點目的 在於使接下來所沈積地非晶矽層(Amorphous silicon )，能有效的與底 層 基 材 做 連 結(contact) ， 進 而 形 成 奈 米 等 級 的 洞 陣 列 P-N 接 面 (Junction)。
在這個步驟當中，我們透過了交通大學奈米中心的Wet Bench機 台，來進行蝕刻的部份，如圖3-10；使用氧化物蝕刻劑{BOE(NH4F：
HF，6：1)}來蝕刻二氧化矽層(SiO2)。為了使蝕刻成像均勻，我們使
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行有無蝕刻到底的比較；圖3-13顯示利用原子力顯微鏡(AFM)所量測 到的深度比。
3-4 成長非晶矽(Amorphous Silicon)
此步驟製程，我們透過中興大學電機學院的電漿輔助化學氣相沈 積(PECVD)機台，如圖3-14，來進行沈積與基材相反電性的非晶矽層 (Amorphous Silicon)。之所以選用電漿輔助化學氣相沈積機台，是在 於配合製程上的需求，並且想測試在低溫沈積的系統中，其階梯覆蓋 率(Step Coverage)是否能達到我們的製程需求。
步驟進行前，仍需將樣品進行簡單地清潔工作，這裡的清潔方式
- 53 - Concentration)及載子遷移率(Carrier Mobility)。
3-5 二次塗佈光阻
- 54 - 機台來進行；使用稀釋氫氟酸(Dilute Hydrofluoric Acid)，將水與氫氟 酸以100:1的比例來調配，藉以去除原生氧化層(native oxide)。前置作 業完成後，則將試片貼在電子槍蒸鍍系統(E-Gun Evaporator)的載盤 上，利用耐熱膠將試片黏貼固定後，則送入腔體內進行蒸鍍步驟。
前金屬層蒸鍍完後，則開始進行剝離(Lift-off)法，來定義出座落
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在 製 程 區 的 金 屬 層 。 將 試 片 放 入 該 光 阻(ZEP520A) 的 去 光 阻 液 (ZDMAC)中1小時進行剝離，之後藉由異丙醇(IPA)、去離子水(DI Water)來清洗試片！前金屬層形成後，則接著進行背面金屬層的蒸鍍 製程；方式跟上述一樣，仍需先去除原生氧化層後，才可進行蒸鍍。
此步驟完成後，所有元件製程步驟就到此為止。接下來則開始驗收成 果-量測電性。
3-7 量測元件電性
量測製程元件的電流-電壓值，將透過交通大學李建平教授實驗室 的HP-4145參數分析系統來進行，見圖3-21。此套系統能滿足本製程 元件的量測特性，舉凡電壓與電流的限制範圍及量測環境的設置要 求。
本製程元件量測的電壓值範圍為負5伏特(-5V)到正5伏特(5V)之 間，一個區間為0.05伏特，共有201個I-V值。最後再藉由Origin-Pro 軟體來繪製I-V曲線，滙整所有數據。
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E-gun evaporator (front) 2_PR
E-beam lithography
Lift-off
E-gun evaporator (back) Measurement
I-V HP-4145
Analysis
Sample (wet bench) Grow oxide E-beam lithography Wet etch sio2 Grow Amorphous (P or N)
500a、1000a Check grow
FIB 1_PR
RCA clean Check etch
SEM、AFM
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圖3-3 國家奈米元件實驗室_n & k-薄膜測厚儀運作原理
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圖3-4 國立台灣大學資電中心_電子束微影系統(E-Beam Lithography)
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圖3-5 電子束微影基本步驟分析
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圖3-6 ZEP520A旋轉速度與厚度關係
： cross mark (50um * 600um)
： hole pattern (600um*600um)
sub oxide
： contrast
(600um*600um)
： sample (2cm * 2cm)
Cross-section Top view
圖3-7 本實驗所設計的製程分配情形。
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圖3-8 本實驗所設計的製程圖形
圖3-9 濕式蝕刻(Wet etch)所形成的圖形
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圖3-10 交通大學奈米中心_濕式清洗(Wet Bench)機台
圖3-11 均勻性蝕刻的圖形(AFM)
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圖3-12 有無蝕刻到底的比較(SEM)
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圖3-13 原子力顯微鏡量測到的深度比
圖3-14 中興大學電機學院_電漿輔助化學氣相沈積機台(PECVD)
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圖3-15 交通大學奈米中心_聚焦離子束(FIB)系統
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圖3-16 交通大學奈米中心_聚焦式離子束所製程的TEM試片(一)
圖3-17 交通大學奈米中心_聚焦式離子束所製程的TEM試片(二) Amorphous silicon
Silicon oxide
Substrate
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圖3-18 交通大學奈米中心_四點探針儀(Four-Point Probe)
圖3-19 交通大學奈米中心_電子槍蒸鍍系統(E-Gun Evaporator)
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圖3-20 金屬-矽與金屬-砷化鎵兩種接觸的能障高度測量值
圖3-21 交通大學李建平主任實驗室_HP-4145參數分析系統
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表3-1 矽晶圓規格
N-type P-type Si wafer Si wafer
Size: Dia 4" × (525 +/- 25um) Size Dia 4"×(525+/-25)um(T) Orientation: (100) +/- 0.5 deg. Orientation : (100) +/- 0.5deg.
Type/dopant: N/ Phos Type/dopant: P/ Boron Resistivity: 1-20 ohm-cm Resistivity :1-20 ohm-cm Surface: SSP Surface: SSP
Grade: Prime Grade: Prime Si wafer Si wafer
表3-2 RCA clean 清洗流程
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表3-3 Wet Etch vs. Dry Etch
表3-4 PECVD 機台不同電性沈積層的氣體參數
Amorphous silicon P-type Amorphous silicon N-type
SiH4 12 12
Etch Bias Unacceptable for < 3μm Minimum
Etch Profile Isotropic Acceptable to isotropic、controllable
Etch rate High Acceptable、controllable
Selectivity High Acceptable、controllable
Equipment cost Low High
Throughput High(batch) Acceptable、controllable
Chemical usage High Low
Electricity damage Low High
- 71 - 導電性原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy, CAFM)來 做單一氮化鎵奈米柱二極體、大面積陣列氮化鎵奈米柱二極體及傳統 薄膜層氮化鎵二極體的三種電性分析比較。其分析的角度包括了，理 想因子(Ideality Factor)、崩潰電壓(Breakdown Voltage)、逆向飽和電 流(Saturation Current)及漏電流(Leakage Current)等等，並在這些分析 範圍當中找尋差異之處。由於此篇文章的探討方向與本實驗雷同，故 在此我們也將透過相同的分析角度，來做為各項研究樣品其電性變化 的探討依據。
藉由下列公式推導出理想因子(Ideality Factor)及逆向飽和電流