MIS的結構可說是MOSFET的心臟地帶，因此當人們企圖改善 MOSFET元件的能力而有一些改善動作時，常以MIS的結構進行探討 並加以評估改良之可能性。所謂MIS結構是由金屬層(Metal)、絕緣層 (Insulator)及半導體(Semiconductor)依序堆疊分別為三種厚度不等材 料所組成，如圖3-1、3-2所示。一般所使用的MOS元件裡，矽是半導 體層最主要的來源，也就是所謂的矽晶片本身；而氧化層則主要是 SiO2，因為SiO2的介電常數不低，遭電崩潰所需的電場也很高；另外 它很容易在矽晶片上藉由高溫氧化而成，因此與矽有良好的接面，也 是最常見的MOS氧化層材料。但當二氧化矽氧化層厚度小於2nm時，
急遽升高的漏電流和嚴重的硼穿透(boron diffusion)問題將使的製程 受到影響，對矽晶圓來說是一項瓶頸，對於元件製程技術是一項很嚴 格的挑戰，為了降低閘極漏電流，必頇將閘極絕緣層的實際厚度增加 以減少穿隧電流，但是又要維持在電性操作時之等效氧化層厚度 (Effective Oxide Thickness; EOT)不變。於是使用高介電常數(k)材料作 為絕緣層。
圖3-1 MIS元件結構示意圖
圖3-2 基本AlN 薄膜MIS結構示意圖
3-2 MIS電壓－電容特性
電容－電壓特性(C-V)是MIS元件，具代表的電性量測，依閘極施 加偏壓大小，理論上可區分為三個區域，如圖3-3所示：(1)偏壓小於 平帶電壓(flatband voltage)、(2)偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間 (threshold voltage)、 (3)偏壓大於臨界電壓。在這三種偏壓操控下，
我們可依序得到三種模式：累積、空乏及反轉模式[23-24]。
圖3-3 理想電容電壓曲線
在探討三個區域個別的 C-V 與能帶表現前，必需先瞭解未加偏壓 時理想與實際的能帶圖接合情形（以 NMOS 討論）：
如圖 3-4 為理想 MIS 能帶圖，假設金屬功函數等於半導體功函數 (Φm=Φs) 並在熱平衡的情況下。
如圖 3-5 為實際 MIS 能帶圖，且假設金屬功函數小於半導體功函 數(Φm＜Φs) 並在熱平衡的情況下成立。
圖3-4 理想MIS的能帶圖
圖3-5 實際MIS的能帶變化
在了解理想與實際能帶接合情形後，討論 MIS 在閘極偏壓下，由 C-V 圖形所產生累積、空乏、反轉等三個特性區域。
I.累積區：
當我們於 P 型基板 MIS 閘極施加一其值小於平帶電壓(Vfb)時，此 電壓將吸引 P 型多數載子（電洞）往氧化層與矽接面前進，而使介面 電洞數比 P 型矽裡還多，圖 3-6；因此能帶圖如圖 3-7 所示，而使成 為一平板電容，此時 C-V 圖在此區域將形成一平坦狀態，且電容呈 現為最大值。
圖3-6 累增區下的載子分佈
圖3-7 累增區下的能帶圖與電荷分佈 II.空乏區：
當外加一大於平帶電壓的正電壓於金屬層上時，P型矽的多數載 子（電洞）將與介面產生排斥力往反方向移動，圖3-8所示，使得氧 化層與P型矽的介面因缺乏電洞而形成空乏區，此表面空乏區寬度(W) 將隨電壓的增加而有一限度擴大，因此電容將隨著電壓加大而變小；
此時靠近半導體表面的能帶將向下彎曲如圖3-9，由C-V特性曲線中亦 可得到並可發現高低頻曲線因介面態密度的存在而有分離的情況產 生[25]。
圖3-8 空乏區下的載子分佈
圖 3-9 空乏區下的能帶圖 III.反轉區：
當持續施加的電壓大到使得矽表面的本質電位比基板上的本質 電位少兩個總體電位(Bulk Potential)時，此時閘極電壓開始在氧化層 與矽的界面處吸引超量的電子，當表面電子(少數載子)數目大於電洞 (多數載子)時表面呈現反轉，即為反轉現象，如圖3-10；因此能帶向 下彎曲更形嚴重，使得表面的本質能階(Ei)越過費米能階如圖3-11所
示，由C-V 曲線中，可知低頻時少數載子跟得上頻率的變化，因此 電容 會隨 著 電 壓的 上 升 而 增加 直到 等於 氧化 層電 容， 而高 頻 時 (100kHZ ~ 1MHZ)，因少數載子跟不上頻率變化，使得電容等於氧化 層電容串聯一空乏區電容，此時空乏層的寬度不會有明顯擴大情形 [26]。
圖 3-10 反轉區下的載子分佈
圖 3-11 反轉區下的能帶圖
從C-V曲線中，我們得知電容值約等於氧化層電容值，由式子來 求得介電常數(K)，從圖5-13中可求得當薄膜越薄，介電常數隨之下 降。在此頇注意薄膜厚度的準確度，我們使用膜厚掃描儀來量測厚 度，確實求得薄膜厚度的值，以利用上述的式子在求取介電係數時，
才能準確求得。
A C d
K
0
max
(3-1) Cmax：高頻C-V曲線在累增區的電容值(F)d：高介電質材料的厚度(cm)
ε0：真空中的介電常數(8.85418×10-14 F/cm) A：金屬閘極面積(cm2)
以上是以 p-type 半導體來說明，若是 n-type 半導體剛好相反。在 MIS 結構當中，藉著高介電材料薄膜對不同波長光線反射率的不同，
決定光子是否可到達矽基板界面產生電子-電洞對，並受到界面電場 的作用產生光電流。在靠近介電層半導體界面中，因為吸收光子的能 量而產生電子-電洞對，並因界面的電場影響，產生電子-電洞遷移，
便形成所謂的光電流，隨著光致電子-電洞對產生的速率造成光電流 大小的變化。因此界面的電場 Es、電位能 Φs以及半導體與絕緣層間 之能障高度（Potential Barrier）對光電流的大小有決定性的影響，以 下將詳細說明光電流與界面電位能、外加電位變化關係。
圖 3-12 MIS 結構不加電壓下（V = 0）之能帶圖（熱平衡時）
以 P-type 半導體矽基板說明，圖 3-12 是未施加電壓熱平衡時 MIS 結構能帶圖。此時金屬層導電電子能階 Em 與 P-type 半導體費米能階 EF同高，金屬功函數小於半導體功函數（qΦm ＜ qΦs），（Φs = 0）。
在界面區域的電洞會往基板移動，形成電洞的空乏區（Depletion region），而所留下來的帶負電荷之固定晶格之空間電荷（Space charge region），會在界面產生一空間電場（Space charge field），造成能帶之 彎曲（Band Bending）。
圖 3-13 施加一負向偏壓於金屬端，並使能帶向上彎曲
如圖 3-13，當施加一負向偏壓（V < 0）於金屬端時，基材之多 數載子電洞（Majority Carrier）會往界面聚積（accumulation region），
造成一反向之電場。若負向偏壓大於電洞之能障高度時，電洞會有足 夠的動能跨過絕緣層而到達金屬端造成電流。
圖 3-14 施加一正向偏壓於金屬端，並使能帶向下彎曲
如圖 3-14。當金屬端施加一正向偏壓（V > 0）時，基材之少數載 子電子會往界面端累積形成反轉區（inversion region）。而反轉區之電 子若沒有足夠能量跨過絕緣層與半導體界面之能障時，並不會產生電 荷之移動。但若有入射光子達到反轉區接近基材之區域，則所產生之 電子會受電場作用往半導體與絕緣層之界面處運動。電洞載子則會向 半導體基材端移動，便形成所謂的光電流。
所以我們可以將因半導體吸收光子而產生電荷所形成的光電流 以下列公式表示之：
又 n
所以
Jphoto：光電流密度
q：電荷大小 μ：電荷遷移率
G：電子-電洞對之產生率 →
：少數載子生命週期（minority carrier life time）
： （diffusion length of electron）
Es：界面電場大小
3-3 AlN薄膜MIS元件製程介紹
在沉積薄膜之前，必頇對晶片清洗，晶片的潔淨度不好，其存在 的雜質、金屬離子及灰塵將有可能大大地影響薄膜品質以及光學特性 使薄膜附著力變差容易剝落，造成元件的不理想以及漏電流的增加。
清洗完晶片後，為了使表面接觸電極與矽基板能形成歐姆接觸以便量 測，通常會採取退火(annealing)的製程來達成此目的。歐姆接觸完成 後，利用準分子雷射濺鍍系統(Excimer Laser sputter)，在矽基板上沈 積氮化鋁薄膜。最後，薄膜沉積完畢之後，利用電子槍濺鍍系統沈積 鋁/矽合金金屬層於薄膜上。
3-3-1 矽晶片切割及清洗
矽晶片在室溫下保存會存有一層原生氧化層(Native Oxide)厚度 大約5-20Å ，因此基板清洗也包括這層表面氧化層的去除，首先以一 般去除有機物的方法清洗再以標準 RCA Clean 方式清洗晶片，將矽 晶片切割機切割成約1.5cm x 1.5cm 大小，再將晶片依序放入:
◎有機物的清洗：
(1) 將晶片浸入丙酮1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，目 的是清除晶片上的油脂、灰塵和細小微粒。
(2) 將晶片浸入甲醇1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，目
的是清除晶片上殘餘的丙酮。
(3) 將晶片浸入去離子水中1 分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3 分 鐘，目的清除殘餘的甲醇。
(4) 夾出詴片，用氮氣(N2)吹乾詴片表面殘留的水珠。
◎RCA Clean清洗：
(5) 將晶片浸入: H2
SO
4 : H2O
2= 1 : 4 的SPM 溶液，溫度以加熱板
(Hot plate)提升到 120℃± 5℃浸泡 5分鐘，主要目的是清除掉晶片表 面的有機物及金屬污染物，再浸入去離子水中置於超音波震盪機裡震 盪 3分鐘。(6) 將晶片浸入: HF : HO2
= 1 : 50 的DHF 中 1分鐘，再浸入去離子
水中置於超音波震盪機裡震盪 3分鐘。(7) 將晶片浸入: NH4
OH : H
2O
2 : H2O = 1 : 1 : 5 的SC-1 溶液，將溫度 提升到80℃~90℃浸泡 10分鐘，主要有兩種除塵粒污染的機制；第 一、利用過氧化氫(H2O2)的強氧化力，可將矽晶圓氧化並生成二氧化 矽層，由於溶液中含有鹼性(NH4OH)的高溶解能力可將生成之氧化層 水解，而使吸附氧化層上的塵粒脫除。第二、在鹼性水溶液中，微塵 與晶圓表面同時帶負電荷，可藉由排斥力清除微塵[27-28]，再浸入去 離子水中置於超音波震盪機裡震盪3 分鐘。(8) 將晶片浸入: HF : HO2
= 1 : 50 的DHF 中 1分鐘，再浸入去離子
水中置於超音波震盪機裡震盪 3分鐘。
(9) 將晶片浸入: HCl : H2
O
2: H
2O = 1 : 1 : 6 的SC-2 溶液，將溫度提
升到75℃~85℃浸泡 10分鐘，主要目的是用來去除鹼金族離子和鋁、鐵、鎂之氫氧化物及複雜的殘留金屬，此乃藉由鹽酸中氯離子與殘留 金屬離子形錯合物而溶解於水溶液中[27-28]，再浸入去離子水中置於 超音波震盪機裡震盪3 分鐘。
(10) 將晶片浸入: HF : HO2
= 1 : 50 的DHF 中 1分鐘，目的在減少晶
片與大氣中的氧形成原生氧化層(Native Oxide)。(11) 取出晶片用氮氣吹乾，放入烤箱 110℃ 3分鐘，目的去除殘留在 晶片的水分。
3-3-2 Al/Si 合金接觸電極製作
當晶片清洗完畢之後取出樣品，迅速放入實驗室自組之電子槍濺 鍍系統如圖3-15，之所以利用電子槍濺鍍系統是因為電子束直接加熱 在薄膜材料上而且真空度高，比起熱電阻加熱法污染較少，所以膜的 品質較高。本實驗在矽晶片的正面沈積金屬－鋁，利用機械幫浦及低 溫幫浦(Cryo pump)來達到高真空度，當壓力抽至 1×10-5 Torr以下 時，利用電源控制電子束加熱置於坩堝之鋁靶，純度為99.99%的鋁
當晶片清洗完畢之後取出樣品，迅速放入實驗室自組之電子槍濺 鍍系統如圖3-15，之所以利用電子槍濺鍍系統是因為電子束直接加熱 在薄膜材料上而且真空度高，比起熱電阻加熱法污染較少，所以膜的 品質較高。本實驗在矽晶片的正面沈積金屬－鋁，利用機械幫浦及低 溫幫浦(Cryo pump)來達到高真空度，當壓力抽至 1×10-5 Torr以下 時，利用電源控制電子束加熱置於坩堝之鋁靶，純度為99.99%的鋁