第三章 實驗儀器與架構
3.2 MIS 元件製作流程之介紹
3.2.1 晶片切割與清洗
在 MIS 元件製作過程開始之前，先利用鑽石刀將矽晶圓切割(Sawn)為 1cm x
1cm 大小的晶片，所以我們必須先以鑽石切割刀，先切出我們樣品之大小。矽 晶片潔淨度品質則會影響到元件之特性。切割完之後的晶片必須進行清洗以除去 表面粒子(Particle)，晶片的潔淨度為製程品質的要素。矽晶片清洗則會經過兩道步驟，第一道去除晶片表面之有機物質，第二道則 是去除氧化物。
（一） 有機物之清洗
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. 夾出試片，用氮氣(N2)吹乾試片表面殘留的水珠。
（二） 原生氧化層之去除
1. 矽晶片浸入 H2
SO
4：H2O = 1：4 的 SPM 溶液中，以加熱板 (Hot plate) 升溫到 120 ℃ ± 5 ℃、5 分鐘，目的是清除矽晶片表面的有機物及金 屬污染物。矽晶片再浸入去離子水中，置於超音波震盪機中去震盪 3 分鐘。2. 矽晶片浸入HF：H2O = 1：50的DHF溶液中1分鐘。矽晶片再浸入去離 子水中，置於超音波震盪機中去震盪3分鐘。
3. 將晶片浸入: NH4OH : H2O2 : 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，再浸入去離子水中置於 超音波震盪機裡震盪 3 分鐘。
4. 矽晶片浸入 HF：H2O = 1：50 的 DHF 溶液中 1 分鐘。矽晶片再浸入 去離子水中，置於超音波震盪機中去震盪 3 分鐘。
5. 矽晶片浸入 HCl：H O ：H O = 1：1：6 的 SC-2 溶液中，以加熱板升
29
溫到 80 ℃ ± 5 ℃、10 分鐘，目的是清除鹼金族離子和鋁、鐵、鎂之 氫氧化物，及複雜的殘留金屬，藉由 HCl 中的氯離子和殘留金屬離子，
形成錯合物而溶解於水溶液中。矽晶片再浸入去離子水中，置於超音 波震盪機中去震盪 3 分鐘。
6. 矽晶片浸入 HF：H2O = 1：50 的 DHF 溶液中 1 分鐘，目的在減少矽 晶片和大氣中的氧去形成原生氧化層。
7. 氮氣槍吹乾矽晶片，並放入烤箱 90 ℃、3 分鐘，目的是去除殘留在矽 晶片的水份。
圖 3-6 RCA clean 流程圖
3.3.2 沈積薄膜
經過晶片清洗步驟完成之後，使用電子束蒸鍍系統沈積薄膜。電子束蒸鍍系 統藉由機械幫浦粗抽到 10-3 Torr 真空度，再使用冷凍幫浦 (Cryopump) 從 10-3 Torr 抽到 10-6 Torr 來達到高真空度，高真空系統利於沈積品質。可控制電子束能 量來加熱在石墨坩堝中的靶材，為了得到較為緊密的薄膜，故沈積速率控制為 2.5Å ～3.5Å 。沈積單一層厚度分別有 200 Å 與 300Å 兩種厚度。因本實驗絕緣層 是以沈積 SiO2 為主的薄膜，故必須將靶材放置腔體的凹槽內。靶材必須於真空 之中完成。
3.2.3 薄膜退火
熱處理（Annealing）是一種在金屬冶煉上，應用極為廣泛的一種材料加工
技術，其原理是利用熱能，將物體內產生內應力的一些缺陷加以消除，或令不均 勻的雜質擴散，而所施的能量將增加晶格原子及缺陷在物體內的振動及擴散，使 原 子 的 排 列 組 合 得 以 重 整 ， 物 體 得 以 藉 由 缺 陷 的 消 失 而 進 行 再 結 晶（Recrystallization），甚至成為單晶的晶體。一般的退火過程，大致上可以以溫 度的高低區分為三個階段：(1)復原(recovery)，(2)再結晶(Recrystallization)，(3) 晶粒的成長(Grain Growth)，當退火溫度較低時，因為熱能所提供的能量僅足以 讓所含的缺陷（如差排… ），進行分佈的重整以達到較穩定的狀態，但無法對 晶粒的結構產生任何的變化，所以對物體的內應力，只能做些微的調整，且影響 物體的機械性質不大。這個階段，稱之“復原”。如果退火的溫度加高，使物體內 的缺陷得以因原子結構的重排而降低，進而產生無差排(Dislocation Free)缺陷的 晶粒時，這時退火的階段便稱為再結晶。經再結晶的物體，其內應力將應差排及 缺陷的密度的降低而急遽的下降(材料的硬度，通常是本身內應力強弱的一種指 標)。如果退火溫度再增加，使得再結晶階段所形成的晶粒有足夠的能量克服晶 粒間的表面能(Surface energy)，晶粒將開始再消耗小晶粒的過程中成長，壯大，
此為“晶粒成長”。而隨著晶粒介面缺陷的消失，物體的內應力將進一步的降低，
31
故整個退火的速率，完全取決於溫度的高低，溫度越高材料所需進行退火的時間 也就越短。而關於金屬矽化物的退火，因減低材料缺陷機制中，缺陷(defect)及 差排(dislocation)會改良材料的電子特性，在積體電路製程中，使用適當的熱處理 不但可藉由自我對準(self-aligned)的矽化反應（Silicide Reaction）形成金屬矽化 物，亦可增加金屬矽化物的電子特性，降低電阻率，以減少 RC 延遲的影響，增 加電子電路的工作效率。當晶粒成長時，將導致合金內成分重組，有時會改變結 構而形成不均勻之組成為使熱處理過程中，為了不改整體材料之成分特性及減少 不均勻現象，故有快速升溫及降溫之處理步驟。[31]
本實驗則是以 ULVAC MILA-3000 之 RTA（快速熱退火機）來退火樣品。
退火時間為 5 minutes，退火溫度為 600℃。
圖 3-7 快速熱退火機之實體圖
3.2.4 合金接觸電極製作
以電子束蒸鍍系統蒸鍍 Al 與 Cu 電極於 Si 樣品上。系統真空度：10-6 torr，
蒸鍍速率：2.5 Å ～3.5 Å ，Al 與 Cu 電極厚度：3000 Å 。
待完成電極之蒸鍍，需將樣品置入高溫爐中，使用退火機制來使 Al 與 Cu 電極與半導體接面從蕭特基接觸轉為歐姆接觸。圖 3-8 為蕭特基接觸，圖 3-9 為 歐姆接觸。退火溫度：450℃，退火時間：30 minutes。
圖 3-8 Al/Si 與 Cu/Si 未退火 I-V 圖
圖 3-9 Al /Si 與 Cu/Si 退火 I-V 圖
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第四章 實驗結果與討論
4.1 薄膜特性檢測
4.1.1 掃描式電子顯微鏡 (SEM)
使用 Hitachi S-4300 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 來進行樣品表面觀察。電子顯微鏡（Electron Microscopy,EM）一般是指利用電 磁場偏折、聚焦電子及物質作用所產生散射原理來研究物質構造及微細結構的精 密儀器。電子顯微鏡可放大萬倍等級遠遠優於光學顯微鏡的千倍等級。
初期使用之光學顯微鏡，是以可見光為介質。由於可見光的波長太長，在 450 nm～650 nm，以至於影像解析度無法小於 0.2 um，若要觀察深次微米尺寸 (﹤0.5 um)以下的表面形貌結構，傳統光學顯微鏡以不敷使用。
SEM 的原理是電子槍透過熱游離或是場發射原理產生高能電子束，經過電 磁透鏡組後可將電子束聚焦在樣品上。成像信號可以是二次電子、背散射電子或 吸收電子…等等。電子槍發射高能量電子以其交叉般作為電子源，經二級聚光鏡 及物鏡的縮小通過一組控制電子束的掃描線圈，聚焦電子束與樣品相互作用，產
生二次電子發射（以及其他物理信號），二次電子發射量隨樣品表面形貌而變化。
二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經放大後輸入到顯像管，再調整與入 射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映樣品表面形貌的二次電子像。電子顯 微鏡主要構造有電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、接物透鏡、偵測器、樣品室、影 像管、真空系統。若加裝能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy；EDS) 系統，則可以偵測特徵 X 光作材料元素成分分析。[32]
圖 4-1 掃描式電子顯微鏡之實體圖
圖 4-2 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖
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光學顯微術 掃瞄式電子顯微
術
穿透式電子顯微 術
掃瞄探針顯微術
最高解析度 300nm 1nm
原子級 原子級成像環境
無限制 真空 真空 無限制樣品製備
無 觀察表面需導電 手續複雜 無成分分析
有 有 有 有表 4-1 各種顯微術的比較[37]
4.1.2 ITO/IGZO 薄膜退火與未退火薄膜表面結構之分析
退火可產生熱能使物體內產生內應力可把一些缺陷加以消除，或令不均勻 的雜質擴散，而所施的能量將增加晶格原子及缺陷在物體內的振動及擴散，使原 子的排列組合得以重整。由於退火使得內部缺陷會移動到正常晶格位置，同時內 部應力場也會跟著消失，退火過程繼續進行中也可使得晶粒在成長，晶粒成長的 程度會嚴重影響到材料的機械性質。退火後的元件可使元件光學與電性變好。圖 4-3 與圖 4-4 為薄膜表面未退火與退火情形，圖 4-5 為薄膜退火後 SEM 剖面情形，
很明顯可以看出，薄膜表面排列變得更為緊密，也可看出退火後薄膜表面有變為 較粗糙之情形。[31]
圖 4-3 ITO/IGZO 薄膜未退火 SEM 表面圖
37
圖 4-4 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 表面圖
圖 4-5 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 剖面圖
4.2 電性檢測
4.2.1 電流-電壓特性量測
我們使用Agilent HP4145B來量MIS元件照光與不照光之電流變化，照 射光源為鹵素燈，圖4-6為ITO與IGZO無光照電流-電壓之關係圖，在同樣10 V電 壓量測條件下，不照光電流為1.2μA，照光後電流為37.1μA。圖4-7為ITO與IGZO 有光照電流-電壓之關係圖，在同樣10 V電壓量測條件下，不照光電流為2.21μ A，照光後電流為15.6μA。。
-10 -5 0 5 10
-0.000007 -0.000006 -0.000005 -0.000004 -0.000003 -0.000002 -0.000001 0.000000 0.000001 0.000002 0.000003 0.000004 0.000005
Current (A)
Voltage (V)
No Light no anneling IGZO No Light no anneling ITO
圖 4-6 ITO 與 IGZO 無光照電流電壓關係圖
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-10 -5 0 5 10
-0.0006 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0.0000
Current (A)
Voitage (V)
Light 100% anneling IGZO Light 100% anneling ITO
圖 4-7 ITO 與 IGZO 有光照電流電壓關係圖
圖 4-8 缺陷捕捉及釋放電子示意圖
圖 4-9 I-V 儀器實照圖
4.2.2
不同光能量電流-電壓特性量測本實驗使用的光源為 MI150( 150 W 鹵素燈 )(OSRAM Halogen Lamp)作為光纖燈 的光源在薄膜造成光電流效應，MI150 如圖 4-10 所示。
圖 4-10 MI150 實照圖
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驗證 MI150 光能量關係圖如圖 4-11。
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
mW
nm
power 5 power 4 power 3 power 2 power 1
圖 4-11 MI150 光能量關係圖
比較 ITO 與 IGZO 在不同光能量產生狀況，所造成電流差異狀況，圖 4-12 為 ITO 對不同光能量產生光電流狀況，圖 4-13 為 IGZO 對不同光能量產生光電 流狀況
圖 4-12 ITO 對不同光能量產生光電流
圖 4-13 IGZO 對不同光能量產生光電流
當 MI150 光照射到 ITO 與 IGZO 時，會產生電子與電洞對，但它們很快的 便會結合，並且將能量轉換成光子或聲子（熱），光子和能量相關，聲子則和動 量相關。因此電子與電洞的生命期甚短；在 P 型中，由於具有較高的電洞密度，
光產生的電洞具有較長的生命期，同理，在 N 型半導體中，電子有較長的生命
光產生的電洞具有較長的生命期，同理，在 N 型半導體中，電子有較長的生命