MIS光偵測器Al/SiO2/Si元件的製作及其光響應特性研究

國立高雄大學電機工程學系碩士班

碩士論文

MIS 光偵測器 Al/SiO

2

/Si 元件的製作及其光響應特性研究

The Fabrication of an Al/SiO2/Si MIS photo-detector and the

Study of its Responsivity Characteristics

研究生：黃柏瑋 撰

指導教授：施明昌 博士

I

誌謝

首先感謝指導教授 施明昌 教授，使我在這兩年來，有機會學習不只是在課 本上的理論，還有做中學的實務學習。老師的實驗室雖然不大，但是裡面設備齊 全，並在需要時給予我在實驗上的建議與理論上的教導。施老師對於做研究踏實 嚴謹以及事必躬親的態度是我學習的模範，此外老師對於研究上及對於其他事務 的要求也使我用更加仔細、更加認真的態度處理每一件事情。另外要特別感謝 藍 文厚 教授除了對於我一些實驗上的解惑外，對於論文提供寶貴的意見以及在光學 理論和半導體理論、製作光罩上指導都讓我深深受益良多。最後感謝李孟恩教授 在百忙之中抽空來參加論文的口試。 特別感謝助理 林琬淇小姐，感謝妳對實驗室的付出，幫大家處理實驗室許多 事務，也和老師一起，不辭辛勞的幫助大家實驗室的維護，讓大家無後顧之憂的 去做研究。感謝學長 承佑、柏翰 對我的指導，同學建名 實驗上互相的幫忙，學 弟 煒翔 、 啟彬 、 俊霆。這二年來真的有太多的回憶，感謝大家帶給我多采多 姿的碩士生活。 最後將本論文獻給我最摯愛的爸爸、媽媽，感謝從小對我的栽培一直在背後 支持我去完成碩士學位。也感謝在研究所期間，女友立蓉的鼓勵與陪伴，還有曾 經幫助過我的各位，和大家一起共享這一份榮耀，謝謝。

II

MIS 光偵測器 Al/SiO

2

/Si 元件的製作及其光響應特性

研究

指導教授：施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系 學生：黃柏瑋 國立高雄大學電機工程學系碩士班

摘要

MIS 光偵測原理主要是主要利用矽半導體對光子的吸收，而產生電子-電洞對，在 SiO2與矽基板接面處，受界面電場影響下，產生光電流，本論文主要是探討一Ａ

l/SiO2/Si MIS 元件的製作及其光偵測響應的研究，本實驗使用一 p-type(p-Si) 基板，並使用電子束蒸鍍機(Electron beam evaporation)蒸鍍Ａl 導電層與 SiO2

介電層於矽基板，實驗中使用電流-電壓(I-V)特性量測系統，討論不同 SiO2厚度、

退 火 與 否 對 光 響 應 度 之 影 響 ， 我 們 得 到 Ａ l/SiO2/Si MIS 元 件 在 紫 外 光 (250nm-400nm) 及 遠 紅 外 光 (800-900nm) 比 可 見 光 (500nm-800nm) 有 較 強 的 光響

應，其原因是Ａl/SiO2/Si 多層薄膜結構在可見光範圍的反射率較大，當 Al 膜厚

20nm /SiO2 膜厚 40 nm 時，光響應度有最大值，因此我們可以控制Ａl/SiO2/Si 薄膜厚度，改變光感測器的光響應度。

III

The Fabrication of an Al/SiO2/Si MIS Photo-detector and

the Study of its Responsivity Characteristics

Advisors: Dr. Ming-Chang Shih Department of Electrical Engineering

National University of Kaohsiung

Student: Po-Wei Huang Department of Electrical Engineering

National University of Kaohsiung

ABSTRACT

The principle of MIS light detection is mainly due to the generation of electron-hole pair by incident photons at the interface region between insulate layer and Si substrate, at the same time, under the driving of the interface electric field, minority carriers; electron, can be driven to the silicon substrate to form photo-current. In this thesis, fabrication process of an Al/Si MIS device was presented and the study of its light detection responsivity was discussed as well. An electron beam evaporator was used to deposit Al and SiO2 layers on a p-type Si substrate. A microprobe stage was used to measure the current-voltage (I-V) characteristic of fabricated MIS deices with different thickness of SiO2 layer and annealing condition. It shows that a stronger response at the UV range of 250nm-400nm and IR range of 800-900nm with strong white light (500nm-800nm) blinded responsivity can be achieved of a MIS device with 20nm thick of Al film and 40 nm of SiO2 film thickness. In addition, a model based on thin film interference has proposed to explain the effect of photo-responsivity to the thickness of the insulating layer.

IV

目錄

誌謝 ... I 摘要 ... II ABSTRACT ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VI 表目錄 ... VIII 第一章研究目的及動機 ... 1 1.1 研究目的及動機 ... 1 第二章 MIS 基本理論 ... 2 2-1 MIS 元件介紹 ... 2 2-2 MIS 光偵測器介紹 ... 3 2-3 MIS 光偵測器工作原理 ... 3 第三章 光學薄膜原理 ... 8 3-1 光學薄膜 ... 8 3-1-1 抗反射薄膜 ... 8 3-2 薄膜理論 ... 8 3-3 單層膜 ... 9 3-4 多層膜[26-27] ... 13 3-5 二氧化矽(SiO2)光學特性 ... 14 3-6 鋁(Al)材料光學特性 ... 15 3-7 光學模擬 ... 17

V 第四章 實驗儀器與架構 ... 19 4-1MIS 元件製作流程之介紹 ... 19 4-2 晶片切割及清洗 ... 20 4-3 沈積薄膜 ... 23 4-4 電子束蒸鍍系統 ... 23 4-5 薄膜退火 ... 26 4-5-2 Al/Si 合金接觸電極製作 ... 28 4-6 光學特性分析 ... 30 第五章 實驗結果與分析 ... 32 5-1 量測系統簡介 ... 32 5-1-1 電流電壓量測系統 ... 33 5-2 光電流產生的機制 ... 34 5-3 用不同波長光照下電流-電壓特性量測 ... 36 5-4 光響應度特性量測 ... 40 第六章 結論與未來展望 ... 47 參考文獻 ... 48

VI

圖目錄

圖 1-1 Al/SiO2/Si ，MIS 元件結構 ... 1 圖 2-1 金屬氧化物半導體光偵測器(MIS)結構示意圖 ... 2 圖 2-2 光子產生電子電洞對情形 ... 3 圖 2-3 V＝0 時理想 MIS 能帶圖[7] ... 4 圖 2-4 累積區下能帶圖[7] ... 5 圖 2-5 累積區下載子分佈[7] ... 5 圖 2-6 空乏區下能帶圖[7] ... 6 圖 2-7 空乏區下載子分佈 ... 6 圖 2-8 反轉區下能帶圖[7] ... 7 圖 2-9 反轉區下載子分佈 ... 7 圖 3-1 基板之單層膜反射率與膜厚之關係[4] ... 9 圖 3-2 基板 ns上鍍上折射率為 n 的薄膜，厚度為 d 示意圖[4] ... 9 圖 3-3 薄膜破壞性干涉示意圖[4] ... 12 圖 3-4 二氧化矽（SiO2）結構圖 [9] ... 14 圖 3-5 二氧化矽（SiO2）折射率[1] ... 14 圖 3-6 鋁折射係數（Al） [2] ... 15 圖 3-7 P-type 基版折射係數（P-Si）[16] ... 16 圖 3-8 MIS 薄膜層示意圖 ... 16 圖 3-9 OpenFilters 操作設定[17] ... 17 圖 3-10 Si 基板與 SiO2 以及將 SiO2 鍍上 Si 的反射率與波長關係圖[17] .... 18 圖 3-11 固定 Al20nm/ SiO2 20nm~50nm，模擬反射率與波長關係圖[17] ... 18 圖 4-1 實驗規劃流程圖 ... 19

VII 圖 4-2 MIS 元件製作流程圖 ... 20 圖 4-3 RCA clean 流程圖 ... 22 圖 4-4 電子束蒸鍍系統之示意圖 ... 25 圖 4-5 電子束加熱圖[30] ... 25 圖 4-6 電子束蒸鍍系統實體圖 ... 26 圖 4-7 快速熱退火機之實拍儀器照片 ... 27 圖 4-8 Al/Si 退火歐姆電極的 I-V 圖 ... 28 圖 4-9 Al/SiO2/Si 未退火照光及不照光 I-V 圖 ... 28 圖 4-10 Al/SiO2/Si 退火照光及不照光 I-V 圖 ... 29 圖 4-11 ＵＶ-2101pc 反射光譜儀實拍儀器照片 ... 30 圖 4-12 結構 Al 20nm /SiO2 之 R(%) ... 31 圖 5-1 I-V 特性的測量系統 ... 32 圖 5-1 I-V 特性的測量系統 ... 32 圖 5-2 HP-4145b 實拍儀器照片 ... 33 圖 5-3 負電壓時，MIS 光電檢測器中光電流產生的機制。 ... 34 圖 5-4 正電壓時，MIS 光電檢測器中光電流產生的機制。 ... 35

圖 5-5 Al 固定 20nm/SiO2 膜厚 20nm~50 nm，照光之 I-V curve。 ... 35

圖 5-6 Al 固定 20nm/SiO2 膜厚 20nm~50 nm，不照光之 I-V curve。 ... 36

圖 5-6 SP Monochromator CM-110 實拍照片 ... 36 圖 5-7 SiO2 膜厚為 20nm 在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖 .... 37 圖 5-8 SiO2 膜厚為 30nm 在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖 .... 38 圖 5-9 SiO2 膜厚為 40nm 在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖 .... 38 圖 5-10 SiO2 膜厚為 50nm 在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖 ... 39 圖 5-11 Newport 光功率計之儀器實拍圖 ... 40 圖 5-12 光功率計量測鹵素燈泡的光能量與光波長之關係圖 ... 41

VIII 圖 5-13 SiO2總膜厚為 20nm 之正向光響應圖 ... 42 圖 5-14 SiO2總膜厚為 20nm 之負向光響應圖 ... 43 圖 5-15 SiO2總膜厚為 30nm 之負向光響應圖 ... 43 圖 5-16 SiO2 總膜厚為 40nm 之負向光響應圖 ... 44 圖 5-17 負向區，2V 時 Al 固定 20nm/SiO2 膜厚 20nm~50 nm 之光響應比較圖 . 44 圖 5-18 負向區，5V 時 Al 固定 20nm /SiO2 膜厚 20nm~50 nm 之光響應比較圖 45 圖 5-19 在 300nm，2V 時，Al 固定 20nm/SiO2 膜厚 20nm~50 nm 之光功率比較圖 45 表目錄 表 4-1 DENSITY與 Z-RATIO DATA ... 26

1

第一章研究目的及動機

1.1 研究目的及動機

科技發展日漸進步，人們使用科技產品的頻率日益增加，多樣化的穿戴式裝 置問世，需要很多不同的感測器，而感測器在穿戴式產品的應用除了輕薄短小之 外生產成本也是重要的因素，比較常用的半導體光偵測器的種類有：PN 光偵測 器、PIN 光偵測器、以及 CCD 光電耦合器等，之前有研究可以在 Al/SiO2/Si MIS 結構獲得光感測能力[32]，由於矽晶圓製程技術已經很成熟且適合於大量生產， 同時 SiO2與 Si 基板也具有高穩定性與相容性，因此 Al/SiO2/Si MIS 光偵測器元 件具有可以應用於穿戴式電子系統潛力。

雖然 Al/SiO2/Si MIS 結構簡單，但是之前的研究發現其改變結構中 SiO2的厚 度會得到不同的光響應度(photo responsivity)，因此本論文是以 Al/SiO2/Si MIS

光偵測器結構為基礎，進一步深入探討 SiO2厚度對光響應度的影響。

(Metal-Insulator-Semiconductor ,MIS)結構為主的光偵測器。MIS 的優點為低雜 訊、暗電流小、反應速度快、可外加電壓高，若配合絕緣層材料的選擇，以及控 制絕緣層材料的厚度，可達到控制光響應的效果，如圖 1-1 Al/SiO2/Si（p-type）。 本論文研製 MIS 元件，探討 SiO 2上的電極退火與否的 I-V 曲線與不同 SiO2厚度對 光響應特性的影響。

2

第二章 MIS 基本理論

2-1 MIS 元件介紹

所謂的 MIS 薄膜元件，是指組成元件的三種基本材料：金屬層、氧化層、半 導體，如圖 2-1 所示為 MOS 的橫截面示意圖。其中電晶體內的氧化層，因能隙的 大小接近絕緣的特性，所以又可稱為絕緣層，因此 MOS 結構亦可稱為 MIS(Metal Insulator Semiconductor)結構。 對於 MIS 元件之氧化層材料的要求有下列幾點[36,37]： (1) 要有低漏電流。 (2) 在介電層與矽基板間具有良好的介面特性。 (3) 介電薄膜要低缺陷。 (4) 金屬層與基板形成良好的歐姆接觸。 圖2-1 金屬氧化物半導體光偵測器(MIS)結構示意圖

3

2-2 MIS 光偵測器介紹

光偵測器(Photodetector)是一種利用光子和半導體內的電子之間的交互作 用，當光子被吸收之後，會在 MIS 光偵測器中產生電子-電洞對，接著電子-電洞 對會被電場分離，而在電極之間產生光電流之流動，便能夠將光訊號轉換為電訊 號的半導體元件，而光偵測器的原理包括三個步驟： 1. 如圖 2-2，由入射光的光子在氧化層與矽基板之間產生載子。 2.藉任意電流的增益機制，來使載子傳輸或者累積載子出現反轉區。 3.產生的電流經外部電路交互作用，用來提供輸出訊號。[13][19] 圖2-2 光子產生電子電洞對情形

2-3 MIS 光偵測器工作原理

以 p 型 Si 基板為例，當 MIS 施加一偏壓時，等同於在電容上施加偏壓，而理 想電容在施加不同偏壓情況下，則會有三種操作區域：（一）偏壓小於平帶電壓 (flat band voltage)稱之為累積區，（二）偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間 (threshold voltage)稱之為空乏區，（三）偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。 [20-21]

4

圖2-3 V＝0時理想MIS能帶圖[7]

其中，金屬功函數：qΦm，半導體功函數：qΦs，電子親和力：qx，費米能階（EF） －本質費米能階（Ei）：qΦF

（一）累積區（accumulation）：偏壓小於平帶電壓(flat band voltage)。 當一負電壓（V＜0）施加於元件平板上時，絕緣層與半導體介面（interface）處 將感應出超量的正電載子（電洞），此種情形之下，靠近半導體的表面向上彎曲 的能帶使得Ei-Ef的能差變大，進而在絕緣層與半導體的介面處產生電洞聚集，提 升電洞的濃度，如圖2-4,5所示累積區下載子分佈，此時如果有光子入射於SiO2/Si 介面產生電子-電洞對(electron-hole pair)，而位於傳導帶的少數電子會因介面 電場作用而往＂正＂極端流動形成光電流。 qx Eg/2

5

V＜0

圖2-4 累積區下能帶圖[7] 圖2-5 累積區下載子分佈[7] （二）空乏區（depletion）：偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間(threshold voltage)稱之為空乏區。當外加一小量正電壓（V＞0）於理想的MIS元件時，鄰近 半導體的表面能帶向下彎曲，而少數載子（電子）累積於介面。如圖2-6,7為空乏 Metal Insulation Semiconductor

6 區下載子分佈[22]。如果此時介電層厚度很薄，則會有少數載子的穿隧電流，如 果有光子入射也會有光電流。 圖2-6 空乏區下能帶圖[7] 圖2-7 空乏區下載子分佈 （三）反轉區（inversion）：偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。當外加一更 大的正電壓時，能帶向下彎曲更嚴重，使得表面的本質能階Ei越過費米能階EF， 使得絕緣層與半導體界面處開始吸引超量的載子（電子）。如圖2-8所示。EF－

7

Ei>0，因此介面上電子（少數載子）數目大於電洞（多數載子）時，呈現反轉[23]。 如果有光子入射也會有光電流，只是比例上佔少數。

圖2-8 反轉區下能帶圖[7]

圖2-9 反轉區下載子分佈 Metal Insulator Semiconductor V >>0

8

第三章 光學薄膜原理

3-1 光學薄膜

光學薄膜是指在光學元件上或獨立基板上鍍上一層或多層之介電質膜或金屬 膜與保護介電質膜或介電質膜與金屬膜交互組成之膜堆來改變光波傳遞的特性。

3-1-1 抗反射薄膜

利用光學薄膜中的薄膜干涉現象，達到抗反射效果。此方法是在基板上鍍單 層或多層的透明薄膜，由於光線通過不同的介質，經反射後所產生的光程差，使 反射光相互干擾產生兩種現象，其一為建設性干涉現象，其二為破壞性干涉現 象，當產生破壞性干涉現象時，反射光就會被抵消，如此就可以達到抗反射的效 果。而本實驗中也是使用這種方法來降低光的反射。

3-2 薄膜理論

當光會在薄膜中產生干涉現象時，此膜層可稱為光學薄膜。干涉現象不只有 與膜厚有關，光源的方向性、頻率性、相干性與所用的偵測儀器種類也會有影響。 光在薄膜中會有很多的波造成干涉，也就是光在經過光學薄膜後，光的反射、透 射、偏振及相位在光譜上會有所變化，這些變化可使得控制薄膜的厚度及材料可 以有許多用途，如反射率的上升或穿透率的下降、反射率下降或穿透率上升、短 波長光強度的降低、光通量的調變…等等。 反射率 R，與介質及膜質本身以及兩邊界之折射率 n 有關，對於有基板之單層 膜，干涉作用又分為建設性干涉和破壞性干涉，膜層之折射率與基板折射率之高 低比較，如圖 2.1 所示，Rs 為基板本身反射率，此為 Substrate = Si02 (nS = 1.5)， n 為膜層折射率，nS 為基板折射率，當表面的膜層 n 值大於基板 nS 值時(n > nS)，反射率會提高；當表面的膜層 n 值小於基板 nS 值時(n < nS)，反射率會降 低，且在光學厚度 nd 等於四分之一波長時，反射率會達到最小值，這就是抗反射 膜的基本原理。[4]

9 圖3-1基板之單層膜反射率與膜厚之關係[4]

3-3 單層膜

當在基板 nS鍍上如圖 3-3 所式，折射率為 n，厚度為 d 之單層膜後，薄膜與基 板構成兩個介面 a 和 b。於是入射波由介質 n0入射，經由介面 a 與 b 反射，會在 a、 b 介面形成淨電場與淨磁場 Ea、Ha及 Eb、Hb。假設所有的界電質是均勻且各同向性， 介面是平行且可無限延伸。 圖3-2 基板ns上鍍上折射率為n的薄膜，厚度為d示意圖[4] 由於波的形式為    nz i nz i wt i

e

e

e

 







 2 ] [ 2 式 3-4

10 所以在光行進距離 d 後走了相厚度，以及在 z 方向會有個相位差 δ

nd









2

_{式 3-5} 設平行於介面之電磁場分別以符號 E 與 H 表示，由於他們在介面上必須是連 續值，因此可得以下關係式： 在介面 b： 淨電場 E_b E_sb E₁_b E₁_b 式 3-6 淨磁場 H_b  H_sb  H₁_b H₁_a 式 3-7 或 ₀E_a ₀E₀_a ₀E₀_a E₁_a E₁_a 在介面 a： 淨電場 E_a  E₀_a E₀_a  E₁_a E₁_a 式 3-8 淨磁場 H_a H₀_a H₀_a H₁_a H₁_a 式 3-9 或 ₀E_a ₀E₀_a ₀E₀_a E₁_a E₁_a η0、η、ηs分別表示入射介電值、薄膜及基板之一般光學導納。 由於電場在薄膜由介面 a 走到介面 b 有相位差 δ 存在，所以  i b a E e E1  1 式 3-10  i b a E e E1  1  式 3-11 由式子（3-6）、（3-7）可得   2 1 b b b H E E   式 3-12

11   2 1 b b b H E E   式 3-13 於是   i b i b a a a E E E e E e E  1  1  1  1        b b i b b i e H E e H E  _    2 2 cos ( sin )    H i E_b  _b  式 3-14   _  i b i b a a a H H E e E e H  1  1  1  1   b b i  b b i e H E e H E  _    2 2  E_b(isin)H_bcos 式 3-15 合併式 3-14、式 3-15，寫成矩陣行列式                      b b a a H E i i H E      cos sin cos 式 3-16 所以矩陣                cos sin sin cos i i M 式 3-17 連接了 a、b 兩介面間電磁場的關係。他代表了該單層膜的特性，因此稱之為薄膜 之特徵矩陣，簡稱膜矩陣。 由式 3-8、式 3-9 得知 0 0 0 2  _{a a} a H E E   式 3-18 0 0 0 2  _{a a} a H E E   式 3-19 因此反射係數

12 Y Y H E H E E E a a a a a a        _ 0 0 0 0 0 0      式 3-20 同理透射係數為 Y E E H E E E E _a b a a b a b      _ 0 0 0 0 0 2 2      式 3-21 若將式 2-16 之左右矩陣各除以 Eb，則 b b b E H Y  等值於基板之導納，而式 3-16 可寫 成                      s y i i C B 1 cos sin sin cos       式 3-22 等效導納為 B C Y  式 3-23 反射係數為 C B C B    0 0    式 3-24 透射係數為 C B  0 0 2    式 3-25 反射率為 * 0 0 0 0 2                   C B C B C B C B R      式 3-26 透射率為

 

 







* 0 0 0 2 0 Re 4 Re C B C B y y y T s s         式 3-27 圖 3-3 薄膜破壞性干涉示意圖[4]

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3-4 多層膜[26-27]

多層薄膜可利用來控制光已經在科學以及很多行業上所使用，通常使用高真 空蒸鍍薄膜於玻璃或金屬基板上。在許多實際薄膜應用上較知名的是使用抗反射 於相機鏡頭和其他光學文書，其他應用包涵熱反射、熱透射鏡，單向鏡，光學過 濾器…等等。 多層膜基本上是單層膜的疊加而已。因此計算多層膜其矩陣方程式為其各單 層膜（式 2-17）的乘積。首先我們將式改寫成          kd kd in kd n i kd M cos sin sin cos 1 1 式 3-28 其中 n1為折射率， kd， 0 1 2 2     n k   假設有 1，2，3…N 層，其折射率為 n1，n2，n3…nN，每層折射率為 n1，n2，n3…nN， 各層薄膜厚度為 d1，d2，d3…dN，所以經由式 3-28 多層膜之膜矩陣可改寫成         D C B A M M M M M_{1 2 3}... _N 式 3-29 其中 反射係數 T T T T Dn C n Bn An Dn C n Bn An r        0 0 0 0 式 3-30 穿透係數 T Tn C Dn Bn An n t     0 0 0 2 式 3-31 則反射率為R r2，穿透率為T  t2 式 3-32

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3-5 二氧化矽(SiO

2

)光學特性

二氧化矽材料是無色顆粒狀，且鍍薄膜折射率穩定，在二氧化矽晶體的應用 中，它具有多種晶型，是一種高品質的絕緣層，基本結構單元為四面體，每個矽 原子有 4 個氧原子鍵結在周圍，以矽原子為中心，4 個氧原子在四個頂角；有很多 個晶體通過頂角的氧原子相連接，每個氧原子為兩個晶體所共同擁有，即每個氧 原子與 2 個矽原子相結合。實際上二氧化矽晶體是由 Si 與 O 依照 1：2 的比例所 組合成的立體網狀結構的晶體，如圖 3-4 所示。使用 SiO2來表示二氧化矽的組成。 二氧化矽(SiO2)薄膜已經是一種被廣泛使用的鍍膜材料，例如在半導體技術方面， SiO2薄膜是最常用來當作絕緣層的一種材料；在鍍膜工業中，SiO2 薄膜也常用來 當作金屬或其他材料的表面抗刮與抗反射膜、反射膜層。[11] 圖3-4二氧化矽（SiO2）結構圖 [9] 圖3-5二氧化矽（SiO2）折射率[1]

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3-6 鋁(Al)材料光學特性

鋁（Al）屬於硼族元素，是一種金屬元素，其化學符號是 Al，原子序數是 13。 相對密度是 2.70。鋁是一種輕且質地堅韌，易延展的銀色金屬。鋁是地殼中第三 大豐度的元素（僅次於氧和矽）。純鋁較軟，在 300℃左右失去抗張強度，熔點 660 度。經處理過的鋁合金更加易延展、堅韌。有著金屬光澤，光滑時表面銀白而 發亮，粗糙時呈暗灰色。無磁性且不易點燃。鋁原子有良好的導電導熱性（為銅 的 59%），而質量遠輕於銅。 鋁反射可見光能力強（約 92%），反射中遠紅外線可達 98%，通常在光學玻璃 的背面，通過真空鍍膜鍍一層金屬鋁薄膜，使入射光反射的光學元件。鋁的折射 係數如圖 3-5 所示，將利用鋁在紫外光波段的低折射率與反射可見光能力強來實 現抗反射薄膜。 圖3-6 鋁折射係數（Al） [2]

16 圖3-7 P-type 基版折射係數（P-Si）[16] 根據式 3-3 基板反射率 RS，比較得知當薄膜折射率 n 大於基板折射率 nS時，有薄 膜的反射率 R 會大於無薄膜的基版反射率 Rs，反之當薄膜折射率 n 小於基板折射 率 nS時，有薄膜的反射率 R 將會小於無薄膜的基版反射率 Rs，也就是薄膜有使基 板之反射率升高或降低的功能。欲降低基本之反射率，薄膜之折射率就必須小於 基板之折射率，在膜厚為 λ/4 的奇數倍時，會達到反射率之最小值。考量我們欲 鍍製的薄膜對紫外光抗反射特性，依據圖 3-4~3-6 之鋁、二氧化矽與 Ptype 基板 之折射率，將鍍層鍍製如下圖 3-7 圖3-8 MIS薄膜層示意圖

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3-7 光學模擬

現在的光學薄膜的設計仰賴於強大的電腦模擬。美國光學學會(Optical Society of America) 認為開發軟體對於光學鍍膜的領域而言是一項重大進步。 通過使人們有機會使用功能齊全的光學模擬程式，將減少人們研究時的障礙，希 望這能刺激現有分析和設計方法的改進以及新方法的創建。於是在西元 2008 年時 發布名為 OpenFilters 的模擬軟體[17]。以 Python 和 C++撰寫。可以用於組建單 或多層和漸變折射率濾波光片和計算反射，透射，吸收，相位，群速度延遲，群 速度延遲色散，顏色，橢圓變量，導納圖，圓圖，電場分佈，以及反射，傳輸的 產生、橢圓測量監測曲線和傅立葉轉換，使用介面如圖 3-9 所示。 在本實驗中，我們用 OpenFilters 計算模擬 SiO2薄膜厚度變化時與 Si 基板的 反射率，與依照圖 2.10~13 模擬 SiO2/Si 模擬後，發現控制薄膜厚度會有不一樣的 穿透率的特性，本實驗探討鍍製在 SiO2 在 15 奈米到 50 奈米之間，將為後續實驗 鍍層鍍製造驗證。 圖3-9 OpenFilters 操作設定[17]

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圖3-10 Si基板與SiO2以及將SiO2鍍上Si的反射率與波長關係圖[17]

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第四章 實驗儀器與架構

4-1MIS 元件製作流程之介紹

本實驗是以電子束蒸鍍來沈積 MIS 元件結構中絕緣層及電極層的部份。而在 沈積薄膜前，我們必須對矽基板清洗，因為基板的潔淨度不好，其存在的表面氧 化物、金屬離子、灰塵…等等，都會影響其薄膜的沈積品質以及其光學特性。晶 片清洗完成後，先以電子束蒸鍍系統沈積薄膜，次之以 RTA 退火薄膜，以致薄膜 沈積更為緊密。最後我們則在以電子束蒸鍍系統蒸鍍 Al 在元件上，元件完成後， 及可進行電性測量分析。 圖4-1 實驗規劃流程圖

20 圖4-2 MIS元件製作流程圖

4-2 晶片切割及清洗

本論文研究使用矽晶片大小大約為 1cm × 1cm，所以我們必須先以鑽石切割 刀，從 6 吋的 wafer（si p-type）切出我們要實驗的樣品之大小。矽晶片潔淨度 品質則會影響到元件之特性。所以必須先清潔矽晶片，然而矽晶片在空氣，則會 與空氣中之氧氣與水氣交互作用，在矽晶片表面上產生原生氧化層(Native Oxide) 厚度大約 5-20Å 的二氧化矽。所以我們必須先以 RCA clean 方式清潔晶片表面， 以去除其氧化物。 晶片清洗 主要是利用化學藥劑將晶片表面的有機物或微小顆粒以及氧化物清除，避免晶圓 表面的雜質影響後續的製程。 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. 將丙酮倒入燒杯，再將晶片完全浸入丙酮 1 分鐘後，再將燒杯置於超音

21 波震盪機裡震盪 5 分鐘，可清除晶片上的油脂、灰塵和細小微粒。 2. 將甲醇倒入燒杯，再將晶片完全浸入甲醇 1 分鐘後，再將燒杯置於超音 波震盪機內震盪 5 分鐘，可清除晶片上，殘餘上一道步驟留下的丙酮。 3. 將超純水倒入燒杯，再將晶片完全浸入超純水 15 分鐘，可以溶解上一 道步驟留下來殘餘的甲醇。 4. 夾出試片，以氮氣(N2)槍，吹乾試片表面上殘留的水珠。 （二） 原生氧化層之去除 1. 將專門的酸性燒杯調出 H2SO4：H2O = 1：4 的 SPM 溶液，再將矽晶片完全 浸入溶液中，以加熱板 (Hot plate)升溫到 120℃、6 分鐘，可以清除 矽晶片表面的有機物及金屬污染物。 2. 再將矽晶片浸入去離子水的燒杯中，置於超音波震盪機中去震盪 1 分鐘。 3. 將專門的氫氟酸燒杯調出HF：H2O = 1：50的DHF溶液，再將矽晶片完全 浸入溶液中6分鐘。 4. 再將矽晶片浸入去離子水中，置於超音波震盪機中去震盪1分鐘。 5. 將專門的燒杯調出將晶片浸入 NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 5 的 SC-1 溶 液，再將溫度提升到 80℃~90℃後，把晶片完全浸入溶液 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 1 分鐘。 6. 將專門的氫氟酸燒杯調出HF：H2O = 1：50的DHF溶液，再將矽晶片完全 浸入溶液中1分鐘，再置於超音波震盪機中去震盪3分鐘。 7. 將專門的酸性燒杯調出 HCl：H2O2：H2O = 1：1：6 的 SC-2 溶液，將晶片

22 浸入矽晶片完全浸入溶液，以加熱板升溫到 80 ℃ ± 5 ℃、10 分鐘， 可以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。 8. 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 和大氣中的氧形成原生氧化層。 9. 氮氣槍吹乾矽晶片，並放置在烤箱中 90 ℃、3 分鐘，目的是去除殘留 在矽晶片的水分。 圖4-3 RCA clean 流程圖

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4-3

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。交替靶材時必須於真空之中完成，因沈積多層膜時，不可使樣品接觸大氣， 一旦使樣品碰觸大氣，則膜與膜之間可能產生水氣或者氧化物…等等，以至於影 響元件性質。

4-4 電子束蒸鍍系統

電子束蒸鍍機系統的基本構造是是在高真空條件下，利用電子束加熱要蒸發的材 料，使乾鍋內，達到材料熔化的溫度，使靶材熔解然後氣化，此時氣態的薄膜材料同時 具有加溫後的動能，再經平均自由路徑擴散到達矽基板薄膜沈積的一種鍍膜技術。 IC與光偵測器的製程中，鋁當作電極以及，利用電子束蒸鍍的方式來沉積鋁 金屬薄膜也被廣泛的運用。使用電子束蒸鍍系統的目的是為了要沉積高純度的薄 膜在矽基板上。電子束蒸鍍系統的工作原理是先利用電流加熱燈絲，而高熱的燈 絲游離出的電子，進而在燈絲的尖端放電，高電壓的直流電下產生電子束，施以 電 場 加 速 於 靶 材 上 電 子 帶 上 的 電 子 ， 施 以 電 位 差 V ， 則 電 子 束 擁 有 的 動 能 1/2mev2=eV，me為電子質量，v為電子之速度，一般V為5kV到20kV，設V為10kV， 則電子速度可高達6×104km/sec，如此高速的電子撞擊在薄膜的材料上轉換成熱 能，溫度上升至數千度。把鍍膜材料氣化分解成氣體蒸鍍至矽基板上。 電子束蒸鍍技術之特點： (1)容易控制鍍膜速率：在蒸鍍金屬厚度的控制上，電子束蒸鍍技術採用石英震 盪片（crystal）來偵測蒸鍍速率以及膜厚，其原理是在Crystal地方加上一組5MHz

24 的電源，其由膜厚機所提供，當下電極的部位沉積一些金屬層之後，由於壓電效 應的原故，造成輸出信號的改變，利用其變化量去折算目前的鍍率及膜厚。可利 用電子槍的燈絲尖端放電，電流控制金屬的蒸鍍速率，當蒸鍍速率降低時，即可 得到較緻密的膜。 (2)膜品質較高：電子束直接加熱在膜材料上，一般裝膜材料坩堝之輕、腔座 都有冰水冷卻，因此比起熱電阻加熱法污染較少，膜品質較高。 (3)可蒸鍍靶材樣品多：電子束可使電場加速產生很高能量，一些成膜性良好 的氧化膜在熱電阻加熱法中不能蒸鍍的，都可以用電子束蒸鍍系統。 (4)多層膜的蒸鍍：在真空腔體底部有放置轉盤，可在坩鍋中放置不同靶材， 在腔體不破真空且不使靶材氧化的前提下，可以作多層膜的蒸鍍。 (5)鍍膜厚度分佈的均勻性且高精度量產的規模：電子束蒸鍍技術的靶材蒸發 方式，屬於點放射狀蒸鍍，若擴大電子束之掃描範圍，亦即增加蒸發源面積， 且樣品放置在圓弧載盤上，使石墨坩鍋中靶材蒸發點到載盤各個樣品的距離 固定，單位面積、單位時間通過的氣相原子數相同，有助於提高鍍膜厚度分 佈的均勻性與高精度量產的蒸鍍技術。 缺點： (1)若電子束及電子流控制不當，會導致材料分解或游離，前者會吸收，後者 將造成基板累積電荷而造成膜面放電損傷。 (2)對不同材料所需之電子束的大小及掃描方式不同，因此鍍膜過程中所使用 不同膜材料時必須不時調換。 (3)對於昇華材料或稍溶解集會蒸發之材料，及某些氟化物、硫化物等。對這 類材料電子束之大小、掃描振幅與頻率都需加大、或者把此類材料事先壓製 成塊，否則其蒸發速率及蒸發分佈不穩定，此對於膜厚的均勻性影響很大。 [29]

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圖4-4 電子束蒸鍍系統之示意圖

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圖4-6 電子束蒸鍍系統實體圖

MATERIAL SYMBOL MELTING Temp°C

DENSITY

g/cm3 Z-RATIO Silicon Dioxide SiO2 1610 2.202 1.07

Aluminum Al 660 2.70 1.08 表4-1 Density與Z-ratio data

4-5 薄膜退火

熱處理（Annealing）是一種極為被廣泛使用的材料加工技術，經常使用在金 屬的冶煉上，其原理是利用熱能，將一些產生在物體內應力的一些缺陷加以消除， 或使不均勻的雜質擴散，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，大致上可以由 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

27 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，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。

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 550℃。

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4-5-2 Al/Si 合金接觸電極製作

以電子束蒸鍍系統蒸鍍 Al 電極於 Si 樣品上。系統真空度：10-6 torr，蒸鍍 速率：1.5 Å～2.0 Å，Al 電極厚度：20nm。 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 電極與半 導體接面從蕭特基接觸轉為歐姆接觸。圖 4-8 為蕭特基接觸，圖 4-9 為歐姆接觸。 退火溫度：550℃，退火時間：5 minutes。 圖4-8 Al/Si退火歐姆電極的I-V圖 圖4-9 Al/SiO2/Si未退火照光及不照光I-V圖

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圖4-10 Al/SiO2/Si退火照光及不照光I-V圖

由圖 4-9 可觀察出 3V 時光電流已經驅至飽和狀態，且不照光時，有漏電流的產生。 而由圖 4-10 可以觀察出其退火過後，因其結晶性更好，使不照光時，漏電流很小， 可以確定光電流的產生。

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4-6 光學特性分析

實驗中使用使用反射光譜儀為 UV-2101PC(Shimadzu Scanning Spectrophotometer)，波長範圍為 25 0nm-950nm，量測不同厚度之反射光譜。 圖4-11 ＵＶ-2101pc反射光譜儀實拍儀器照片

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第五章 實驗結果與分析

5-1 量測系統簡介

將製備完成的 MIS 晶片架設在微型探針台上進行了測試，在微型探針台上，I-V 特 性測量系統的儀器架設如圖 5-1 顯示。 圖5-1 I-V 特性的測量系統 圖5-1 I-V 特性的測量系統

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5-1-1 電流電壓量測系統

我們使用儀器 HP-4145B 並搭配 Labview 程式控制並讀取，其樣品的電流電壓特 性。由圖 5-3 是 Al 固定 20nm/SiO2 膜厚 20nm~50nm 亮暗的 I-V curve，可觀察出 負向電流與半導體厚度有關，其厚度越小電流越大，但正向光電流卻是在 40nm 左 又電流最大。光電流在正偏壓所產生，其原因為絕緣層內部之缺陷與絕緣層與半 導體之間的介面缺陷所導致，電子經由缺陷之捕捉電子與釋放電子，進而產生光 電流。如圖 5-2 所示。

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5-2 光電流產生的機制

從圖 5-3 可發現，在 Al 金屬導電層施加負電壓(V<0)時，會使半導體層能帶上彎， 且在氧化層和半導體層之間累積很多電洞，因本身是 P-type，電洞為多數載子， 所以受光電效應激發出的電子，多半都與電洞中和了，使得光電流不明顯。從圖 5-4 可發現，Al 金屬導電層施加負電壓(V<0)時，會使半導體層能帶上彎，且在氧 化層和半導體層之間產生很多電子，形成反轉區，此時有約 3.2ev 的能障，大約 在 389nm 的光能量使電子吸收的能量可以超越能障通過氧化層，而在鍍膜時，發 現當鍍膜到一定厚度時，會有一個 3.1ev 的能階可使電子穿過。 圖5-3 負電壓時，MIS光電檢測器中光電流產生的機制。

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圖5-4 正電壓時，MIS光電檢測器中光電流產生的機制。

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圖5-6 Al固定20nm/SiO2膜厚20nm~50 nm，不照光之I-V curve。

5-3 用不同波長光照下電流-電壓特性量測

單光儀(Monochromator)的主要元件為光柵 (Grating)，光柵的功能和三稜鏡 散射功能相近，當光入射到光柵之後，會因折射而導致產生光的色散，藉著控制 狹縫的寬度變化，用來解析出入射光的各個波長。圖 5-6 為單光儀 SP onochromator CM-110 實拍照片。 圖5-6 SP Monochromator CM-110實拍照片

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本實驗使用的光源為穩定的150 W鹵素燈 (OSRAM Halogen Display/Optic Lamp)作為光纖燈的光源，將光纖燈接至單光儀中，鹵素燈光源透過單光儀(SP Monochromator CM-110)可選擇200nm-900nm的波長，改變不同波長光源來進行不 同光波長對電流-電壓關係之影響。圖5-7~5-8為SiO2膜厚為20nm，不同波長光照 射下，電流-電壓之關係圖，圖5-9~5-10為SiO2膜厚為30nm，不同波長光照射下， 電流-電壓之關係圖，圖5-11~5-12為SiO2膜厚為40nm，不同波長光照射下，電流-電壓之關係圖，觀察圖5-13發現50nm幾乎沒有電流。 觀察圖5-5及圖5-6可發現，正向電流照光和不照光幾乎一樣，光響應度幾乎 為0。 圖5-7 SiO2膜厚為20nm在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖

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圖5-8 SiO2膜厚為30nm在不同波長光照射下，負向電流-電壓之關係圖

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5-4 光響應度特性量測

由於鹵素燈經過單光儀的各波長功率不同，所以要量測光響應度，本實驗使 用 Newport 的光功率計，量測各波長的光功率，圖 5-15 光功率計之儀器圖，圖 4-23 為光功率計量測光能量與光波長之關係圖。 圖5-11 Newport光功率計之儀器實拍圖

41 圖5-12 光功率計量測鹵素燈泡的光能量與光波長之關係圖 我們利用光響應度的分析，光源透過單色分光儀，將不同的波長照射在元件 上，再量測元件的光暗電流值。 則我們利用式 5-1 來計算光響應度

P

I

R



式5-1 R :光響應度 I :元件電流 P:入射光功率

42 量測不同SiO2薄膜厚度的MIS元件，得到200nm-900nm的光電流，並計算其光響 應度。在不同波長的光照下，其光電流分佈不一樣的電流值，可以發現對紫外光 波段及紅外光波段有不錯的光響應度。圖5-17為SiO2膜厚為20nm，不同波長光照射 下，光響應度之關係圖。圖5-18為SiO2膜厚為30nm，不同波長光照射下，光響應度 之關係圖。圖5-19為SiO2膜厚為40nm，不同波長光照射下。圖5-20為SiO2膜厚為 40nm，不同波長光照射下，光響應度之關係圖。 圖5-13 SiO2總膜厚為20nm之正向光響應圖

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圖5-14 SiO2總膜厚為20nm之負向光響應圖

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圖5-16 SiO2總膜厚為40nm之負向光響應圖

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圖5-18 負向區，5V時Al固定20nm /SiO2膜厚20nm~50 nm之光響應比較圖

46 觀察Al/SiO2/Si結構的MIS晶片光響應測量結果，如上圖5-13、圖5-14、圖 5-15、圖5-16，我們發現元件受光後的光電流輸出，要持續增加電壓才有更好的 反應，代表這個元件屬於高響應元件。 如下圖5-18可以發現Al/SiO2/Si元件在紫外光區及紅外光區有較高的響應， 可見光區較低，原因為元件在可見光區有很強的反射率，如圖4-12，而紫外光 200nm~300nm及遠紅外800nm~900nm區反射率較低，製程晶片在經過反射光譜儀測 量，波長200nm~900nm反射率與模擬結果大致相同，雖有些微的誤差。 而300nm-400nm的光響應，有3.1ev的能階缺陷造成，可以參考洪晨修，含氮 穿隧氧化層再氧化行為於氮化矽快閃式記憶體之特性與研究。[38] 如圖5-19的光響應結果，發現薄膜在Al固定20nm /SiO2膜厚40 nm會最大，而 不是絕緣層越薄越大，其原因可由圖3-9模擬可觀察到這個厚度在300nm波長的光 只有35%的反射率，製程晶片在經過反射光譜儀測量，波長200nm~900nm反射率如 圖4-12，反射率與模擬趨勢相近，所以有很多光透射進入晶片，出現更多電洞電 子對，有更好的光響應，雖然Al固定20nm /SiO2膜厚50nm也有很好的抗反射效果， 但卻因為絕緣層厚度太厚，電流不容易通過而導致光響應非常小。 由圖 5-19 可發現這個光響應的結果，發現薄膜在 Al 固定 20nm /SiO2 膜厚 40 nm 會最大，而不是絕緣層越薄越大，也不是越厚越小。

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第六章 結論與未來展望

本論文研究利用電子束蒸鍍法蒸鍍鋁(Al)/二氧化矽(SiO2)多層薄膜於 p-type Si (100)基板上，並利用鋁(Al)作為電極的材料，以及改變二氧化矽(SiO2)的膜厚 (20nm-50 nm)作為絕緣層及抗反射膜材料，完成 MIS 光偵測器元件的製作。絕緣 層(SiO2)厚度不同下，光照的電流-電壓之特性、不同波長的光照下電流-電壓之 特性、光響應度的光電特性量測，以下歸納幾點結論： 1. 退火可以讓 SiO2 的結晶變好，使 MIS 結構特性明顯，利於產生光電流的機制。 2. 由實驗結果可發現，此偵測器可有效反射白光也就是可見光波段(400nm~800nm) 之響應度。且可以發現與遠紅外光區(800nm~900nm)。其原因是 Al/SiO2 薄膜 在可見光波段(400nm~800nm)有強反射率，把入射光幾乎都反射掉了，所以沒 有產上光電流。 3. 由實驗結果可發現，光響應度的最高峰位在波長紫外光區(200nm~400nm)，原 因是此結構在 200nm-300nm 的波長區有很強的透射，使光響應度出現高峰， 而 300nm-400nm 的波長區經觀察可發現是因為當 SiO2 膜厚為 30nm 時，出現 約 3.1ev 的能階，從 1V 和 400nm 波長下，膜厚 30nm 時，出現光響應。 4. 遠紅外光區(800nm~900nm)，為矽本身有 1.1ev 的能隙，產生光響應。 5. 發現薄膜在 Al 膜厚 20nm /SiO2 膜厚 40 nm 光響應度會最大，而不是絕緣層 越薄越大，原因是在這個薄膜厚度時，反射率較低，有更多的入射光進去使 更多電洞電子對產生，但卻在 Al 膜厚 20nm /SiO2 膜厚 50 nm 時，光響應急 速下降，原因是絕緣層厚度太厚，電流不容易通過。未來可增加 Al /SiO2 更 多組厚度數據，觀察其 SiO2 薄膜厚度對電流-電壓、光響應度之特性。實驗 結果可作為反射白光檢測紫外光強度之應用。 6. 未來可改變退火溫度為參數，觀察其熱退火過後薄膜之成效性，與電流-電 壓、光響應度之特性。也可製作更多層之薄膜，進而探討其光電性質。

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參考文獻

[1] L. V. Rodríguez-de Marcos, J. I. Larruquert, J. A. Méndez, J. A. Aznárez. Self-consistent optical constants of SiO2 and Ta2O5 films, Opt. Mater. Express 6, 3622-3637 (2016) (Numerical data kindly provided by Juan Larruquert) - (SiO2 折射率來源)

[2] A. D. Rakić. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum, Appl. Opt. 34, 4755-4767 (1995) - (Al折射率來源)

[3] D. Park, Q. Lu, T. King, C. Hu, A. Kainitsky, S. Tay and C. Cheng, Tech. Dig. Int. Eectron Devices Meet.,pp.381,1998.

[4] 李正中 ，2004 ，薄膜光學與鍍膜技術 ，第四版，台北：藝軒圖書， ISBN 957-616-780-9。 [5] 江長凌 林煥祐 朱智謙，半導體製程中高介電（High K）材料的介紹，台灣大 學化研所 [6] 林煥祐、2004，半導體製程中高介電（High K）材料的介紹，國立台灣大學化 研所碩士論文。 [7] 余合興，2007，半導體材料與元件(上冊)，台北：東華書局，ISBN：957-483-454-9。 [8] 游信和、曾春風、陳文照，2005，材料科學與工程導論，台北：高立圖書，ISBN： 957-584-955-8。 [9] 張立德 、牟季美 ， 2002 ，奈米材料和奈米結構 ，台中：滄海書局， ISBN 957-2079-77-8。 [10] 林振華，2003，電子材料，台北：全華圖書，ISBN：957-213-324-1。 [11] 陳怡誠，2002，高介電薄膜簡介，交通大學電子研究所碩士論文

[12] UDT. Sensors, Inc.”Silicon photodiodes Physics and Technology”,No 02, April 1982.

[13] 施位勳、姬梁文、許惠雯，2011『二氧化鈦奈米柱紫光感測器的研製』，國家 奈米元件實驗室奈米通訊，第 18 卷‧第 3 期：22-29 頁。

[14] Crip, C. L.Huisman, A. Reller,”Photoinduced reactivity of titanium dioxide”,Progress in Solid State Chemistry,32,pp.33-177,2004.

[15] J. K. Burdett, T. Hughbank, G. J. Miller, J. W. Richardson and J. V. Smith,”Structural-electronic relationships in inorganic solids:powder neutron diffraction studies of the rutile and anatase polymorphs of titanium dioxide at 15 and 295K”, Journal of American Chemical Society,109,pp.3639-3646,1987.

[16] D.E.Aspnes and A. A. Studna. Dielectric functions and optical

parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV, Phys. Rev. B 27, 985-1009 (1983) (P-Si折射率來源)

49

[17] FUNCTIONAL COATING AND SURFACE ENGINEERING LABORATORY (https://www.polymtl.ca/larfis/en/links)

[18] 柯賢文，2012，表面與薄膜處理技術，台北：全華圖書，ISBN：978-957-218-47-52。 [19] 鄧文浩，1999『強介電薄膜的物理氣相沈積技術』，工業技術研究院，工業材

料，第 155 期，130~134 頁。

[20] S.M.Sze, “semiconductor devices physics and technology, 2th ed.”,pp468.

[21] 吳孟奇、洪勝富、連振炘、龔正、吳忠義 譯，Ben G. Streetman、Sanjay Kumar Banerjee 著，2013，半導體元件 Solid state electronic devices，台北：東華書局， ISBN：978-986-154-58-82。

[22] S.M.Sze, “semiconductor devices physics and technology, 2th ed.”, pp.170-173. [23] Pierret, R. F. Semiconductor Device Fundamentals. Reading,MAAddisonWesley, 1996. [24] Shur, M. Physics of Semiconductor Devices. Englewood Cliffs,NJ:Prentice Hall,1990. [25] 陳 恒 清 、 楊 子 毅 、 張 柳 春 譯 ， WILLIAM D. CALLISTER;JR.; DAVID G.

RETHWISCH 著，材料科學與工程，台北：歐亞書局，ISBN：978-986-673-60-87。 [26] Grant R.Fowles,”INTRODUCTION TO MODERN OPTICS”,American： Dover

Publications ,ISBN：978-048-665-95-72,1989, pp96-102. [27] 柯賢文，2005，表面與薄膜處理技術，台北：全華圖書，ISBN：978-957-214-72-52。 [28] 陳世璋、簡昭欣，2007『高介電常數材料之可靠度特性』，電子月刊，第 146 期，9 月專輯，130~141 頁。 [29] 陳力俊，1994，材料電子顯微鏡學，台北：行政院國家科學委員會精密儀器發 展中心，ISBN：978-957-004-58-19。 [30] 王俊程、蔣效穎、 李秀玲。熱蒸鍍機與高溫爐管 之製程與設備技術初步實 務

[31] Kevin J. Yang,Chenming Hu,”MOS Capacitance Measurements for High-Leakage Thin Dielectrics”,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 46, NO. 7, JULY 1999.

[32] 謝孟憲、2017，Al/SiO2/Si 光偵測器製作及光響應特性研究，國立高雄大學電 機工程研究所碩士論文。

[33] G. C. F. Yeap, S. Krishnan, and M. R. Lin, “Fringing-induced barrier lowering in sub-100 nm MOSFETs with high-K gate dielectrics,” Electron Lett., p1150-1152. [34] Troutman, T. S., Bhattacharya, S., Tummala, R.,Wong, C. P. “Development of Low

Viscosity,High Dielectric Constant (K) Polymer for Integral Passive Application” International Symposium on Advanced Packing Materials,1999, 169

[35] Liang, S., Chong, S. R., Giannelis, E. P.“Barium Tianate/Epoxy Composite Dielectric Materials for Integrated Thin Film Capacitors” 48th Electronic Components and Technology Conference, 1998, 171

50 工程研究所碩士論文。 [37] 陳進祥、鄭仲甫、蔡佳明、蘇筱棠。具有高鋁含量之氮化鋁鎵深紫外光檢測 器之研究 [38] 洪晨修、2008，含氮穿隧氧化層再氧化行為於氮化矽快閃式記憶體之特性與 研究，國立交通大學電子工程學系 電子研究所碩士班。