利用磁式濺鍍機成長矽與氮化矽於矽基板和玻璃基板

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(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 利用磁式濺鍍機成長矽與氮化矽於矽基板和玻璃基板 Silicon and Silicon Nitride Prepared by Ratio-frequency magnetron sputtering on Silicon and Glass substrates. 研究生：楊啟璋撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十六年六月.

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(4) 感謝這兩年來的研究生活，讓我從中收穫不少；首先，我感謝我的指導教授，朱安國博士，這兩年來不僅受到他的照顧，且在專業知識上的指導，以及在做人處事的態度有相當的幫助，讓我獲益良多。接著也要感謝實驗室的夥伴，宗新、智豪、于鈺，有他們的一起共同維護實驗室的正常運作，讓實驗上更加無後顧之憂。還有感謝育中、光輝、世龍、志昇、志尚、楚茵這群學弟妹在實驗上的協助。另外，還有感謝學長縫治、茂賢、怡廷、孟璁、嘉均以及妙如學姐過去的指導。也要感謝物理所，簡富彥學長、曹書瑋學長、楊伯鈞學長在量測上的幫助，使得我的論文能夠順利完成。感謝我的朋友以及最支持我的家人、朋友和女友。最後，僅將本篇論文獻給我最愛的父母。.

(5) 摘要本研究的目的是利用磁式濺鍍機，於室溫，在矽基板和玻璃基板上成長矽與氮化矽薄膜。並探討此它們在不同製程條件下，特性的改變情形。氮化矽薄膜的電性方面，我們將探討其在不同的製程條件下(包含濺鍍功率、氮氣與氫氣的比例)，電壓-電流(I-V)和電壓-電容(C-V)特性。我們所成長出來的氮化矽薄膜於 MIS 的結構下，最佳小的漏電流在電場 1 MV/cm 的情況下 2×10 -9 A/cm 2，其磁滯電壓約 2V 左右。氮化矽薄膜的表面粗糙度也在 1nm 以下。另外，我們也將利用氧化銦錫(Indium tin oxide-ITO)當作電極，製作以氮化矽薄膜為介電層的電容器。矽薄膜方面，利用磁式濺鍍機成長出來的矽薄膜為非結晶相的。我們將量測矽薄膜的光導電特性變化，以了解矽薄膜的特性變化。.

(6) Abstract. Silicon and silicon nitride thin films were growth on Si and glass substrates at room temperature by ratio-frequency (r-f) magnetron sputtering. The electrical characteristics of the silicon nitride films were characterized using I-V and C-V measurement under different growth condition, including r-f power, nitrogen partial pressure, and hydrogen partial pressure. Minimum current leakages for MIS structure as low as 2×10 -9 A/cm 2 were obtained at 1 MV/cm electrical field with hysteresis voltage about 2V. The root-mean square surface roughness of the silicon nitride film is less then 1nm. In addition, silicon nitride capacitors with indium-tin-oxide as electrodes were fabricated. Silicon thin films prepared by R.F. magnetron sputtering at room temperature are amorphous. The measurements on the variation of the photo-conductivity were used to characterize the characteristics of the Si film..

(7) 目錄第一章導論. 1. 第二章實驗原理與儀器介紹. 4. 2-1 金屬-絕緣層-半導體結構特性介紹. 4. 2-1-1 堆疊式的結構. 4. 2-1-2 MIS 結構電荷及缺陷類型. 5. 2-1-3 高頻電容-電壓特性. 6. 2-2 光導電性(photoconductivity). 8. 2-3 所用到之材料. 9. 2-3-1 基板. 9. 2-3-2 濺鍍鈀材. 10. 2-3-3 熱蒸鍍鈀材. 10. 2-4 磁式濺鍍機系統. 10. 2-5 熱蒸鍍系統. 12. 2-6 量測系統. 12. 2-6-1 橢圓偏光儀( Ellipsometer ). 12. 2-6-2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope). 13. 2-6-3 電性量測系統. 14. 2-7 元件製作. 14.

(8) 2-7-1 MIS 結構製作流程. 14. 2-7-2 MSM 結構製作. 19. 第三章結果與討論. 23. 3-1 氮化矽薄膜. 23. 3-1-1 功率. 23. 3-1-1.1 沉積速率與折射率. 23. 3-1-1.2 表面粗糙度(Roughness). 24. 3-1-1.3 討論. 26. 3-1-2 氬氣-氮氣比例. 26. 3-1-2.1 沉積速率與折射率. 26. 3-1-2.2 表面粗糙度. 27. 3-1-2.3 漏電流密度(leakage current density). 30. 3-1-2.4 電容特性(Capacitance). 31. 3-1-2.5 討論. 33. 3-1-2.5a 絕緣層厚度的影響. 33. 3-1-2.5b 基板表面影響. 34. 3-1-3 氫氣鈍化(Hydrogen passivation). 39. 3-1-3.1 沉積速率與折射率. 39. 3-1-3.2 表面粗糙度. 40.

(9) 3-1-3.4 漏電流密度. 42. 3-1-3.4 電容特性. 43. 3-1-3.5 討論. 44. 3-1-4 玻璃-ITO-氮化矽-鋁 3-2 非晶矽薄膜. 45 47. 3-2-1 沉積速率. 47. 3-2-2 折射率. 48. 3-2-3 吸收係數(absorption coefficient). 48. 3-2-4 光導電性. 49. 3-2-5 討論. 50. 第四章結論. 52. 4-1 氮化矽. 52. 4-2 非晶矽. 53. 參考文獻. 54.

(10) 圖目錄第二章圖 2-1 MIS 結構示意圖. 5. 圖 2-2 MIS 電荷及缺陷類型示意圖. 5. 圖 2-3 MIS 結構 C-V 特性曲線示意圖. 7. 圖 2-4 光導電性機制的示意圖. 9. 圖 2-5 磁式濺鍍機系統示意圖. 11. 圖 2-6 熱蒸鍍系統示意圖. 12. 圖2-7 橢圓偏光儀的原理. 13. 圖 2-8 MIS 元件製作流程圖. 15. 圖 2-9 MIS 元件示意圖. 15. 圖 2-9 矽晶片清洗流程圖. 16. 圖 2-10 光導電性量測元件製作流程示意圖. 20. 第三章圖 3-1 不同功率下，氮化矽薄膜沉積速率與折射率的變化. 24. 圖 3-2 不同沉積功率的表面粗糙度變化. 24. 圖 3-3 功率為 120W 的表面立體圖. 25. 圖 3-4 功率為 160W 的表面立體圖. 25.

(11) 圖 3-5 功率為 200W 的表面立體圖. 25. 圖 3-6 功率為 240W 的表面立體圖. 26. 圖 3-7 不同的氮氣比例下，氮化矽薄膜沉積速率與折射率的變化. 27. 圖 3-8 不同氮氣比例的表面粗糙度變化. 28. 圖 3-9 氮氣 0%的表面立體圖. 28. 圖 3-10 氮氣 10%的表面立體圖. 28. 圖 3-11 氮氣 20%的表面立體圖. 29. 圖 3-12 氮氣 30%的表面立體圖. 29. 圖 3-13 氮氣 40%的表面立體圖. 29. 圖 3-14 氮氣 50%的表面立體圖. 30. 圖 3-15 氮氣 60%的表面立體圖. 30. 圖 3-16 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的漏電流特性. 31. 圖 3-17 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的電容特性. 32. 圖 3-18 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的磁滯電壓. 32. 圖 3-19 不同的絕緣層厚度的漏電流特性. 34. 圖 3-20 不同的絕緣層厚度的電容特性. 34.

(12) 圖 3-21 矽晶片表面是否經過氰氟酸蝕刻的漏電流特性. 35. 圖 3-22 矽晶片表面是否經過氰氟酸蝕刻的電容特性. 36. 圖 3-23 單絕緣層與雙絕緣層的漏電流特性. 37. 圖 3-24 單絕緣層與雙絕緣層的電容特性. 37. 圖 3-25 在不同的氮氣比例下，雙絕緣層的漏電流特性. 38. 圖 3-26 在不同的氮氣比例下，雙絕緣層的電容特性. 38. 圖 3-27 在不同的氫氣比例下，氮化矽薄膜的沉積速率與折射率. 40. 圖 3-28 不同氫氣比例的表面粗糙度變化. 40. 圖 3-29 氫氣 0%的表面立體圖. 41. 圖 3-30 氫氣 6%的表面立體圖. 41. 圖 3-31 氫氣 9%的表面立體圖. 41. 圖 3-32 氫氣 12%的表面立體圖. 42. 圖 3-33 氫氣 18%的表面立體圖. 42. 圖 3-34 不同氫氣的比例下，氮化矽薄膜的.

(13) 漏電流特性. 43. 圖 3-35 不同氫氣的比例下，氮化矽薄膜的電容特性. 44. 圖 3-36 不同氫氣的比例下，其磁滯電壓的比較. 44. 圖 3-37 在不同的氮氣比例下，在 ITO 上成長氮化矽薄膜之漏電流特性. 46. 圖 3-38 在不同的氮氣比例下，在 ITO 上成長氮化矽薄膜之電容特性. 46. 圖 3-39 不同功率下，非晶矽薄膜沉積的速率. 47. 圖 3-40 不同功率下，其非晶矽薄膜的折射率與波長對應圖. 48. 圖 3-41 不同功率下，其非晶矽薄膜的吸收係數與波長對應圖. 48. 圖 3-42 不同功率時光電流與暗電流的比較. 49. 圖 3-43 不同功率時光電流的比較. 50. 圖 3-44 不同功率時 Iphoto/Idark 比例. 50. 第四章圖 4-1 PECVD 與本研究的 Sputtering 氮化矽薄.

(14) 膜漏電特性比較. 53.

(15) 第一章導論 1-1 簡介非晶矽薄膜電晶體(amorphous silicon thin film transistor，α-Si TFTs)為主動式液晶顯示器(AMLCD)主要的開關元件；而典型的 α-Si TFT 包含了主動層非晶矽(α-Si)，閘極介電層氮化(SiNx)[1,2]，以及高參雜的 α-Si 當作電極。氮化矽薄膜具有非常穩定的化學特性，雖然它的介電係數跟其它絕緣材料比起來較為低，但其耐久性及抗水性比起其它絕緣材料更好，所以也常是目前業界常使用在 TFT 的介電層材料。用在 TFT 的氮化矽薄膜，其折射率(refractive index)要在 2.0 以下[3]，其漏電流密度在 1MV/cm 的電場下，需在 5 × 10 −8 A/cm 2 以下[4]。非晶矽薄膜為最常使用在ㄧ般薄膜電晶體中的通道層(channel layer)，由於矽本身有良好的半導體特性，使用在 TFT 上的非晶矽薄膜，其 Ion/Ioff=10 −6 以上[5]。 1-2 研究動機近年來可撓式顯示器(flexible display)的想法產生[6]，非晶矽薄膜電晶體的基板不再適用於過去的矽基板或是玻璃基板，取而代之的是塑膠基板。然而塑膠基板並不像於矽基板或玻璃基板的溫度可達兩百度以上，甚至製程條件盡可能在一百度以下，低溫製程將是未來可撓. 1.

(16) 式顯示器的發展趨勢。一般業界成長非晶矽或是氮化矽都是利用增強式電漿化學沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition – PECVD)；然而，在製程過程中用到大量的有毒或可燃氣體，像是甲矽烷(Silane-SiH4)和氨 (Ammonia-NH3)，這樣增加其製程上的成本以及危險性，而且這樣的長膜方式溫度卻需要在高溫上成長，並不適用於可撓式的電晶體所需要的塑膠基板上面。從資料[6][7]看來，PECVD 在低於 250°C 的條件下，所沉積出來的膜層，品質並不好，因為其中含有大量的氫及氮。已經有研究利用磁式濺鍍機，用純矽鈀材在 230°C，通入適當的氮氣，成長出高品質氮化矽薄膜[8]。一般研究也是利用 PECVD 去沉積 α-Si:H 薄膜[9]，但其製程溫度卻高達 300°C 以上，完全不適用於可撓式的塑膠基板。目前已經有研究成功在高溫度下，利用磁式濺鍍機完成高品質非晶矽薄膜電晶體 [10]。我們將嘗試在室溫下，利用磁式濺鍍機，成長非晶矽薄膜。在本研究中，我們選用 99.9%氮化矽以及 99.9%矽鈀材。由於為了降低腔體內氣體的多餘碰撞[11]，我們將在低壓，常溫下，利用磁式濺鍍機成長非晶氮化矽薄膜以及非晶矽薄膜膜。實驗中將只使用氬氣 (Ar-Argon)、氮氣(N2-Nitrogen)、氫氣(H2-hydrogen)，這樣其安全性、成本以及對環境的潔淨度，都遠優於 PECVD，且未來可望應用於塑. 2.

(17) 膠基板。本論文架構共分四個部份：第一章導論：介紹非晶矽以及氮化矽薄膜基本特性以及用 sputter 的研究動機。第二章量測原理及結構：將製作金屬-絕緣層-半導體(metalAl/ insulator-SiNx/ semiconductor-Si —MIS) 之結構分析氮化矽薄膜之品質；製作鉻(chromium)電極之結構方便分析非晶矽之特性。以及此實驗元件的製作流程和用到的量測系統及設備，做詳盡的介紹。第三張實驗結果與討論：描述及討論氮化矽與非晶矽薄膜特性之實驗結果。第四章結論：對於本研究的整理、歸納以及未來的工作。. 3.

(18) 第二章量測原理及結構本章節將介紹本實驗中的製程結構，實驗的步驟，量測系統的原理做更詳盡的介紹。 2-1 金屬-絕緣層-半導體結構(MIS structure)特性介紹絕緣層的絕緣度為本研究的重點，由於絕緣層本身與量測平台的探針為蕭特基接觸(schottky contact)，所以無法得知絕緣層本身的特性；因此一般量測其電性有兩種結構，為金屬-絕緣層-金屬(MIM)結構與金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構，MIM 結構本身比較直接，可以直接得知絕緣層的特性，但由於本研究之絕緣層未來將應用於 TFT 之結構，所以我們選擇用 MIS 結構當作量測特性之結構，雖然 MIS 結構可能會有因為絕緣層與半導體之接面產生之而外效應，比較可能出現絕緣層本身以外產生的現象，不過這樣卻跟將來之應用比較接近，所以選擇用 MIS 結構來當作本研究量測絕緣層特性之結構。 2-1-1 堆疊式的結構 MIS 結構為一垂直式堆疊之結構，其三層結構為金屬(Metal)-絕緣層(Insulator)-半導體(Semiconductor)；本研究使用之半導體部分為單晶矽晶片，一方面可為結構之一部分，另一方面也可以當作平整之基板。圖 2-1 為 MIS 結構之示意圖，MIS 結構主要有下列幾個優點： (1)結構容易製作，沒複雜的圖形。. 4.

(19) (2)接近未來研究電晶體之結構(少了源極與汲極)，方便做整合。 (3)量測容易，只需在結構上下加上所需之電性系統便可得知結果。. 圖 2-1 MIS 結構示意圖 2-1-2 MIS 結構電荷及缺陷類型 MIS 結構的缺陷以及其內部電荷的的類型如圖 2-2[13]所示(以 SiO2 與 Si 的接面為例)：. 圖 2-2 MIS 結構電荷及缺陷類型示意圖 5.

(20) (1). 固定氧化層電荷(Fixed Oxide charge ,Qf)：屬於正電荷，它存在於絕緣層與矽接面上的 25Å 以內的地方；其產生的原因主要與絕緣層的成膜溫度有關聯，基本上成膜溫度越低其固定氧化層電荷量越高。. (2). 氧化層捕獲電荷(Oxide trapped charge, Qot)：可能屬於正電荷或負電荷，存在於絕緣層內部。造成的原因可能 X 輻射、熱電子注入或者是其它類似的程序所造成。. (3). 移動離子電荷(Mobile ionic charge, Qm)：一般而言為金屬離子存在於絕緣層內，所造成的。. (4). 介面陷阱電荷(Interface trapped charge, Qit)：可能屬於正或負電荷，產生在絕緣層與矽基板之間，造成的原因可能為其矽表面過多的斷鍵，表面受到損壞因而存積許多電荷。. 2-1-3 高頻電容-電壓特性 MIS 結構的在高頻電容-電壓特性如圖 2-3 所示(以 P 型半導體為例)，可依其操作偏壓不同，而有不同的區域型式；. 6.

(21) 圖 2-3 MIS 結構 C-V 特性曲線示意圖偏壓小於平帶電壓(flat band voltage ,VFB)為累增區(Accumulation region)，偏壓在平帶電壓與臨界電壓(threshold voltage, VT)之間為空乏區(depletion region)，偏壓大於臨界電壓為反轉區 (Inverse region)。平帶電壓定義為 VFB = Φ MS −. Qf C ox. −. Q m Q ot Q it (Φ S ) − − C ox C ox C ox. ΦMS：金屬電極的功函數 Qf：固定氧化層電荷(Fixed Oxide charge) Qm：氧化層捕獲電荷(Oxide trapped charge) Qot：移動離子電荷(Mobile ionic charge) Qit：介面陷阱電荷(Interface trapped charge) Cox：絕緣層最高電容值 (1). 累增區：MIS 結構在金屬電極上的偏壓，小於平帶電壓時， 7.

(22) P 型半導體的電洞將向半導體與絕緣層的介面移動，使得其介面上的電洞濃度比半導體中的電洞濃度還高，此時整個結構像個平行板電容一樣，因此此時電容值幾乎成一定值。這個區域我們稱為累增區，因為有大量的電荷累積在半導體與絕緣層的介面上。 (2). 空乏區：當偏壓逐漸變小之後，達所謂的平帶電壓，即進入反轉區，此時由於介面上的電洞慢慢被複合，使得介面上產生一帶負電的區域，稱為空乏區域；空乏區域造成一空乏電容，造成絕緣層電容與空乏區電容串聯，而使電容值變小；而空乏區會逐漸擴大，其電容值變小，總體串聯電容值逐漸變小。. (3). 反轉區：當偏壓超過臨界電壓時候，此時表面的偏壓，對於空乏區域的厚度不會有明顯的變化，其電容值也即固定，此時的總體串聯電容值即為一固定值。. 2-2 光導電性(photoconductivity) 所謂的光導電效應，即材料於吸收特定光譜之能量後，使其導電性變佳[14]。那是由於材料內的價電子吸收足夠的能量之後，將躍遷至價帶。一般來說，矽有良好的光導電性，但若矽本身結構缺陷太多，. 8.

(23) 則使的電荷在移動過程中就遭到複合，使得導電性降低，我們利用這樣的電性特性來了解非晶矽薄膜內的缺陷多寡。. 圖 2-4 光導電性機制的示意圖. 2-3 所用到之材料 2-3-1 基板本實驗所用到之基板在成長氮化矽薄膜為 P-type 的單晶矽晶片，摻雜硼(Boron)離子，摻雜濃度為 10 16 ~10 17 /cm 3，片電阻值為 1-10Ω，厚度為 500μm~550μm，折射率為 3.5。而成長非晶矽薄膜所用到的基板，為厚度 500μm 的玻璃基板，折射率(refractive index)1.52。. 9.

(24) 2-3-2 濺鍍鈀材本實驗用到氮化矽鈀材純度 99.9%，直徑兩英吋厚度為 6mm，背面導熱金屬為銅。矽鈀材為純度 99.9%，直徑為兩英吋厚度為 3mm，背面導熱金屬為銅。 2-3-3 熱蒸鍍鈀材本實驗所製作的 MIS 結構，所用的金屬為鋁，純度為 98.5%之鋁顆粒。而非晶矽薄膜所用的電極為鉻(chromium)，純度為 99.5%之鉻棒。. 2-4 磁式濺鍍機系統圖 2-5 為本實驗所用到的磁式濺鍍機，試片的載盤(holder)與鈀材 (Target)的距離為 15cm。. 10.

(25) 圖 2-5 磁式濺鍍機系統示意圖本研究所沉積的薄膜皆在高真空下進行；首先將試片(矽晶片或玻璃基板)放入腔體中，機械幫浦(mechanical pump)從ㄧ大氣壓下抽至 5 × 10 −2 torr，再用分子渦輪幫浦(Turbo pump)抽至所需之壓力，之後先將氣體流量控制器打開，通入所需要之濺鍍反應氣體，調整至所需要之流量，使氣體在氣體混合腔(Gas mixed box)內充分混合，避免氣體不均勻的流入濺鍍腔體內。待氣體充份混合後，再打開氣體閥門使得氣體均勻的流入濺鍍系統內；待濺鍍系統內充滿了反應氣體後，控制腔體內的壓力至電漿(plasma)的起始壓力後，即可用電漿產生器 11.

(26) (Radio frequency generator)點起電漿後，壓力控制器(pressure controller) 將調整腔內的壓力至操作壓力。. 2-5 熱蒸鍍系統熱蒸鍍(Thermal Evaporation)是利用電流加熱於材料源，使其熔化成液體，進而化成金屬蒸氣，金屬蒸氣上升至載盤(holder)後冷卻，在試片表面沉積所需要的薄膜材料。. 圖 2-6 熱蒸鍍系統示意圖 2-6 量測系統 2-6-1 橢圓偏光儀( Ellipsometer )[16]. 12.

(27) 橢圓偏光儀橢圓偏光儀乃利用橢圓極化光來量測薄膜表面特性的非接觸、非破壞性方法。其原理係利用光線在與樣品接觸前後，其偏極狀態(Polarization states)會有明顯改變的現象，來量測薄膜折射率與厚度的儀器。此外，表面粗糙度、電子組成的溫度漂移、光源強度波動等情況，對橢圓偏光儀影響非常小，所以量測出來的值非常準確。而本實驗所用的機台為SOPRA 的機台。. 圖2-7 橢圓偏光儀的原理. 2-6-2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)[17] 原子力顯微鏡屬於掃描探針顯微技術（Scanning probe. 13.

(28) microscope）的一支，此類顯微技術都是利用特製的微小探針，來偵測探針與樣品表面之間的某種交互作用，如穿隧電流、磁力等等，然後使用一個具有三軸位移的壓電陶瓷掃描器，使探針在樣品表面做左右前後掃描（或樣品做掃描），並利用此掃描器的垂直微調能力及迴饋電路，讓探針與樣品問的交互作用在掃描過程中維持固定，此時兩者距離在數至數百Å（10 -10 m）之間，而只要記錄掃描面上每點的垂直微調距離，我們便能得到樣品表面的等交互作用圖像，這些資料便可用來推導出樣品表面特性 2-6-3 電性量測系統當 MIS 結構全部完成之後，用 Aglinet 4155C 量測其電壓-電流特性，HP4284A 量測其電壓-電容特性。而非晶矽薄膜電性量測用 HP4155A。由於其 MIS 結構為一電容器，所以可能會有鬆弛電流 (relaxation current)，使得電流電壓曲線最低點不在電場為 0 的位置，造成其圖形的不對稱，因此我們將在電壓電流的量測方面，從 0 量到正電場，再從 0 量到負電場，再將其圖形組合。. 2-7 元件製作 2-7-1 MIS 結構製作流程. 14.

(29) 圖 2-8 MIS 元件製作流程圖. 圖 2-9 MIS 元件示意圖 2-7-1.1 清洗矽晶片基板在薄膜沉積之前，基板的潔淨度需要非常要求，若晶片上面潔淨度不好的話，殘存ㄧ些有機物質、金屬或灰塵等等，都會對於實驗的. 15.

(30) 結果有非常大的影響，且也可能影響基板跟薄膜之間的接合度，使得附著力變差；所以基板清洗是非常基本但卻很重要的一個步驟。首先準備 1.5cm × 1.5cm 之 P-type 矽晶片，以一般清洗矽晶流之流程，流程圖如圖 3-2 所示；清洗流程中，丙酮主要是將矽晶片表面的有機物質、金屬物質以及灰塵清洗掉；但由於水並不能溶解丙酮，所以用異丙醇溶解矽晶片表面的殘存丙酮，且異丙醇也有類似丙酮的效果，只是比較差一點；最後再用去離子水把矽晶片的表面殘存異丙醇給沖洗乾淨。用震盪器及升溫，主要是使得清洗過程更加完全。最後用氮氣把表面水分吹乾，再用烤箱將矽晶片表面水分烘乾。. 圖 2-9 矽晶片清洗流程圖 2-7-1.2 氫氟酸溶液蝕刻 16.

(31) 由於一般矽晶片在空氣中裸露太久，會與空氣中的氧氣氧化，產生一層薄薄的氧化矽(SiOx)，這一層氧化矽將可能影響背電極與矽基板的接合，使得接觸變差，而影響整個實驗結果，所以必須將它去除掉。所以在矽晶片清洗完畢後，將在氫氟酸溶液中浸泡 5 分鐘，使矽晶片表面的氧化物清除乾淨。 2-7-1.3 背電極製作先將蝕刻完氫氟酸的矽晶片放入熱蒸鍍機當中，當壓力用擴散式幫浦抽至 3×10 −6 後，開始熱蒸鍍鋁鈀材，沉積之鋁膜厚度約 1800Å。當背面鋁膜沉積完成後，試片需要做回火處理，使得鋁與矽晶片的接面形成歐姆性接觸(Ohmic contact)；先將高溫爐加熱至 500°C，在將試片放入高溫爐當中，放置 10 分鍾後取出，等它在空氣中冷卻後，被電極即完成。 2-7-1.4 表面熱氧化層去除在氮化矽絕緣層沉積之前，由於先前的回火處理使得試片的表面成長出一層熱氧化層，將可能影響到絕緣層量測的結果，所以必須將它用氫氟酸溶液去除。將試片放進氫氟酸溶液中做蝕刻 20 秒，即迅速將試片用去離子水將試片上的氫氟酸清洗乾淨後，迅速將試片放入磁式濺鍍機內。 2-7-1.5 氮化矽絕緣層薄膜沉積. 17.

(32) 當試片進入磁式濺鍍機後，先用機械幫浦(mechanical pump)將腔體(chamber)抽至 5×10 −2 torr 後，再用分子渦輪幫浦(molecule turbo pump)將腔體內的壓力抽至 6×10 −6 torr 後，才開始實驗。我們將沉積氮化矽薄膜約為 1500 Å。磁式濺鍍法，有許多重要的參數會影響所沉積膜的特性，包括： (1). 操作功率：本研究將改變功率，觀察氮化矽薄膜沉積的狀況。. (2). 操作壓力：本研究將用壓力控制器，固定腔體內的壓力在低氣壓 1m torr。. (3). 濺鍍距離：即鈀材(target)與試片載盤(holder)的距離，本研究將距離控制在 15cm。. (4). 反應氣體：除了濺鍍本身所需要的氬氣之外，另外將通入氮氣以及氫氣，觀察沉積的狀況。. (5). 基板溫度：本研究將固定基板溫度於室溫，不作變溫的動作。. 2-7-1.6 正面鋁電極製作氮化矽薄膜沉積後，於正面放上金屬擋板定義正面電極之圖案，放入熱蒸鍍機，鍍上金屬鋁當正面電極，厚度約為 1800Å。 MIS 結構即完成。. 18.

(33) 2-7-2 MSM(Metal/Semiconductor/Metal)結構製作【1】清洗玻璃基板. Glass. 【2】金屬鉻蒸鍍. Chrome Glass. 【3】光阻塗布. PR Chrome Glass. 【4】黃光微影. PR Cr Glass. 19.

(34) 【5】蝕刻金屬鉻. PR Cr. Cr Glass. 【6】光阻去除. Cr. Cr Glass. 【7】非晶矽薄膜沉積，製程完成. α-Si Cr. Cr Glass. 圖 2-10 MSM 結構製作流程示意圖 2-7-2.1 清洗玻璃基板清洗玻璃基板方式與 2-8-1.1 的清洗玻璃基板相當，只是用石英震盪器震盪，需時 20 分鍾，由於玻璃表面較於矽基板更不平. 20.

(35) 整，所以需要更長的震盪時間，以達到清洗效果。 2-7-2.2 鉻金屬沉積玻璃基板清洗乾淨之後，將試片放入熱蒸鍍機內，蒸鍍電極材料，由於非晶矽與金屬鉻的接合佳，所以選擇用鉻當作電極材料。當蒸鍍機內的真空度達 5 x 10 −6 torr 後，即可開始蒸鍍。蒸鍍約 1500Å。 2-7-2.3 黃光製程定義電極利用黃光製程，定義出所需要的圖案。 (1) 以光阻塗鋪機將AZ4210 型的光阻，以500rpm 的轉速10 秒再以5000rpm 的轉速旋轉40 秒，使光阻能夠均勻塗鋪在試片上。 (2) 在加熱盤上以100℃90 秒軟烤試片上的光阻。 (3) 用I-line 曝光20秒。 (4) 把AZ400K 型的顯影液與水以1：4 的比例混合，最後把試片置入其中顯影約20 秒。將試片用去離子水沖洗乾淨，再用氮氣吹乾。 (5) 於加熱盤上120℃120秒硬烤，使光阻硬化，圖形確立。 2-7-2.4 鉻金屬蝕刻圖形確定後，將金屬鉻不必要的部份用 Cr-7 蝕刻液蝕刻。. 21.

(36) 2-7-2.5 光阻去除金屬鉻圖形露出來後，用丙酮將所有的光阻去除，再用異丙醇將試片清洗，用去離子水沖乾淨，最後用氮氣槍吹乾，鉻電極即完成。 2-7-2.6 非晶矽薄膜沉積最後用金屬檔板，於固定位置，用磁式濺鍍機成長非晶矽薄膜，厚度約 1800 Å。將改變操作功率，於 1.5mtorr，室溫下成長，濺鍍距離為 15cm。反應氣體，本研究在成長非晶矽薄膜將使用氬氣。. 22.

(37) 第三章實驗結果與討論本章節將分兩大部份做討論；一為氮化矽薄膜，另一部份為非晶矽薄膜。 3-1 氮化矽薄膜本研究將對主要對濺鍍的功率、反應氣體以及基板等變化做討論，其餘工作條件皆相同。 3-1-1 功率由於磁式濺鍍所輸入的功率為一非常重要之要素，我們將試驗 120w、160w、200w 以及 240w。 3-1-1.1 沉積速率與折射率(refractive index) 由於氮化矽的薄膜的厚度必須控制，以方便實驗的討論，所以我們必須知道沉積的速率。如圖 3-1 所示，我們可以清楚知道隨著沉積功率的上昇，沉積速率從在 120w 的 12.3Å/min 到沉積功率 240w 的 27.84Å/min。折射率方便讓我們了解氮化矽薄膜沉積的狀況，在不同的沉積功率下，我們發現功率越高折射率明顯有越來越高的趨勢，折射率的峰值出現在沉積功率為 200W 的條件下；其折射率達 1.99。而功率再升高至 240W，則下降至 1.92。. 23.

(38) 1.99. 28. 27.84. 1.95. 26. 1.89. 24. 1.92. 22. 1.80. 18. 1.75. 16 12. 1.90 1.85. 21.67. 20. 14. 2.00. 1.70. 15.5. 1.66. 1.65. 12.3. 120. Refractive index. Deposition rate ( Å/min). 30. 140. 160. 180. 200. 220. 240. Deposition power (W) 圖 3-1 不同功率下，氮化矽薄膜沉積速率與折射率的變化 3-1-1.2 表面粗糙度(Roughness) 隨著沉積功率上升，表面粗糙度也有所變化。從 120W 的 1.41Å 到 240W 的 4.43Å。. 5.0 4.43. 4.5. Roughness ( Å). 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5. 1.59. 1.41. 1.55. 1.0 0.5 0.0. 120. 140. 160. 180. 200. 220. Deposition power (W). 24. 240.

(39) 圖 3-2 不同沉積功率的表面粗糙度變化. 圖 3-3 功率為 120W 的表面立體圖. 圖 3-4 功率為 160W 的表面立體圖. 圖 3-5 功率為 200W 的表面立體圖. 25.

(40) 圖 3-6 功率為 240W 的表面立體圖 3-1-1.3 討論由於 200W 的沉積功率的折射率最高，推測在 200W 沉積的氮化矽薄膜結構最緻密，其表面粗糙度也很好，所以其他研究將在沉積功率為 200W 下進行。我們將在反應氣體，氬氣、氮氣以及氫氣上的比例做調配，觀察薄膜特性的變化。 3-1-2 氬氣-氮氣比例我們將本氮氣比率為 0%的條件下，慢慢的通入適當比率的氮氣，分別為 10%、20%、30%、40%、50%以及 60%，觀察氮化矽薄膜特性的變化。 3-1-2.1 沉積速率與折射率由於反應氣體的成分比例改變，所以我們推測濺鍍的速率也會有所改變。在實驗過程中，我們發現，氮氣的比例含量越高所得到的沉積速率越慢。從原本氮氣 0%的 21.76Å/min，到氮氣 50%的 14.07Å/min。在不同的混合氣體比例下，氮化矽薄膜也有明顯的變 26.

(41) 化；隨著氮氣的比例增加，其薄膜的折射率也跟著降低，但降低速率逐漸趨緩。我們推測為氮化矽薄膜內的氮矽比例飽和，薄膜內的已沒. 22. 21.76. 2.00. 1.99. 20. 1.95. 1.92 18.8. 18. 17.9. 1.87. 16. 1.90 16.18 15.06. 1.84. 1.85 1.82. 1.81. 1.81. 14 0. 10. 20. 30. 40. Refractive index. Deposition rate (Å /min). 多餘的氮空缺，使得折射率趨近於平緩。. 1.80. 14.07. 13.79. 50. 60. Nitrogen percentage (%) 圖 3-7 不同的氮氣比例下，氮化矽薄膜沉積速率與折射率的變化 3-1-2.2 表面粗糙度在不同的氮氣比例下，表面的粗糙度也都在 3Å 以下；其差異性也相當的低，可見沉積的氮化矽薄膜相當的均勻平整。. 27.

(42) 5. Roughness ( Å). 4 3 2. 2.76 2.37 1.65. 1.55. 1.71. 1.81 1.39. 1 0. 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. Nitrogen percentage (%) 圖 3-8 不同氮氣比例的表面粗糙度變化. 圖 3-9 氮氣 0%的表面立體圖. 圖 3-10 氮氣 10%的表面立體圖 28.

(43) 圖 3-11 氮氣 20%的表面立體圖. 圖 3-12 氮氣 30%的表面立體圖. 圖 3-13 氮氣 40%的表面立體圖. 29.

(44) 圖 3-14 氮氣 50%的表面立體圖. 圖 3-15 氮氣 60%的表面立體圖 3-1-2.3 漏電流密度(leakage current density) 在 MIS 的結構下，我們量測不同氮化矽薄膜當絕緣層，所得到的電場-電流特性。氮氣 50%的比例下，得到的漏電流最低，在 1MV/cm 的電場下，漏電流值 1.46 x 10 −9 A/cm 2 。. 30.

(45) Leakage current density (A/cm2). Nitrogen 0% Nitrogen 10% Nitrogen 20% Nitrogen 30% Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60%. -8. 10. -9. 10. -10. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 3-16 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的漏電流密度特性 3-1-2.4 電容特性在 MIS 的結構下，我們量測不同氮化矽薄膜當絕緣層，所得到的電壓-電容特性。從圖 3-17 我們看出通入氮氣之後，使得我們的電容特性的平帶電壓(VF)向正偏壓移動，且電容特性的反轉區域的斜率更為陡峭，代表其接面有得到相當的改善；而氮氣 10%~50%的平帶電壓與斜率卻沒太大的改變，表示其薄膜內所儲存的電荷量相當，而 60%又再往負偏壓移動。. 31.

(46) 1.0. C/COX. 0.8 0.6 Nitrogen 0% Nitrogen 10% Nitrogen 20% Nitrogen 30% Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60%. 0.4 0.2 0.0. -40. -35. -30. -25. -20. -15. -10. Voltage (V) 圖 3-17 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的電容特性而在磁滯電壓(hysteresis)的寬度，通入適當的氮氣後，磁滯電壓有所下降，但幅度不大；氮氣 60%所表現得到最佳的磁滯電壓 1.95V，表示其中氧化層陷阱電荷(Oxide trapped charge)較少，在其絕緣層內. Hysteresis voltage (V). 的缺陷較低。 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5. 2.59 2.44. 2.16 2.10 1.96. 0. 10. 20. 30. 2.00. 40. 1.95. 50. Nitrogen percentage (%). 32. 60.

(47) 圖 3-18 不同氮氣比例，氮化矽薄膜的磁滯電壓 3-1-2.5 討論從綜合實驗結果看來，在氮氣 50%的狀況之下，其漏電情況最良好，最適合當作絕緣材料。但其折射率與氮氣 40%的狀況差不多，推測可能與堆疊速度有關係，在氮氣 50%的狀況下，堆疊速度比氮氣 40%更慢，也許是造成結構更為緻密，使得其電性更好。而在表面也是最為平整。但在電容特性方面，可以看出雖然其平帶電壓較未通入氮氣時好，但仍然相當大，這樣在做成 TFT 元件時，將需要更高的切入電壓，會浪費過多的能量。其氮化矽電容器儲存過多的正電荷，可能的原因為之前所提到的 MIS 電容結構內接面的缺陷或膜層內的缺陷所造成。為了解決過大的平帶電壓，因此我們做了以下的試驗。 3-1-2.5a 絕緣層厚度的影響同樣的條件下，不同的絕緣層厚度，觀察其電性的變化。從圖 3-19，我們可以看出絕緣層較厚的狀況下，其漏電流特性較佳，但並不差很多。而在電容特性方面圖 3-20，其平帶電壓明顯往正偏壓移動，表示其中在電容器內的缺陷明顯降低；大約降低了 10V。. 33.

(48) Leakage current density (A/cm2). SiNx thickness - 150nm SiNx thickness - 120nm SiNx thickness - 100nm -8. 10. -9. 10. -10. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 3-19 不同的絕緣層厚度的漏電流特性 1.2 VFB. 1.0. C/COX. 0.8 0.6 0.4 0.2. SiNx thickness - 150nm SiNx thickness - 120nm SiNx thickness - 100nm. 0.0 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5. 0. 5. Voltage (V) 圖 3-20 不同的絕緣層厚度的電容特性 3-1-2.5b 基板表面影響由於我們在高的功率上成長，所以我們推測矽基板的表面，也許. 34.

(49) 在濺鍍過程中造成了傷害；於是，我們將針對接面陷阱電荷 (interface trapper charge)做以下的實驗。在相同的條件下，我們在成長氮化矽前不做氰氟酸蝕刻，留下一負氧化層(negative oxide)，其厚度一般約為 20Å ~50Å。從圖 3-21，我們可以看出有留下負氧化層，所得到的漏電流略為降低。而在電容特性方面圖 3-22，可以明顯看出來其平帶電壓明顯得到改善，大約移動了 10V，且磁滯現象也獲得改善。推測是矽晶片表面的介面陷阱電荷(Interface trapped charge)變少，使得平帶電壓向. Leakage current density (A/cm2). 正偏壓移動. -8. 10. Si surface etching Si surface non-etching. -9. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 3-21 矽晶片表面是否經過氰氟酸蝕刻的漏電流特性. 35.

(50) 1.2 VFB. 1.0. C/COX. 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0. Si surface etching Si surface non-etching. -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10. -5. 0. Voltage (V) 圖 3-22 矽晶片表面是否經過氰氟酸蝕刻的電容特性於是我們的假設是成立的，在濺鍍過程中，高功率成長情況下，會將可能會將基板表面打壞。於是我們再將試驗，用低功率成長一層緩衝層後，再成長高功率主要的絕緣層。從圖 3-23，我們可以看出雙絕緣層的漏電流特性較單層的差一些；但在電容特性方面圖 3-24，我們可以看出其平帶電壓更往正偏壓移動，且在磁滯電壓從 1.25V 下降至 1.17V。. 36.

(51) Leakage current density (A/cm2). -8. 10. -9. 10. Single layer Double layer -10. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 3-23 單絕緣層與雙絕緣層的漏電流特性. 1.2 VFB. 1.0. C/COX. 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -25. Single layer Double layer. -20. -15. -10. -5. 0. Voltage (V) 圖 3-24 單絕緣層與雙絕緣層的電容特性另外，我們試驗不同的氮氣比例，在雙絕緣層下電性的變化；從圖 3-25 中，我們可以看出在漏電流特性方面，氮氣比例提高，其電. 37.

(52) 流特無太大改變；在電容特性方面，在圖 3-26，氮氣比例提高，其平帶電壓從氮氣 40%的-8V 降低至氮氣 60%的-7V，磁滯電壓更降低在. Leakage current density (A/cm2). 0.6V 左右。. -7. 10. -8. 10. -9. 10. -10. Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60%. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical filed (MV/cm) 圖 3-25 在不同的氮氣比例下，雙絕緣層的漏電流特性. 1.0. C/COX. 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -20. Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60%. -15. -10. Voltage (V). 38. -5. 0.

(53) 圖 3-26 在不同的氮氣比例下，雙絕緣層的電容特性. 3-1-3 氫氣鈍化(Hydrogen passivation) 一般而言成長氮化矽薄膜，會在成長過程中，通入適當氫氣，以補氮化矽薄膜的懸浮鍵，這過程叫鈍化(passivation)。我們將在功率為 200W，氣壓為 1mtorr，氮氣 10%的條件下，通入適當的氫氣，分別為 6%、9%、12%、18%；觀察氮化矽薄膜的特性變化。 3-1-3.1 沉積速率從圖中我們很明顯發現，當氫氣比例提昇後，沉積速率變快，從氫氣 0%的 18.8Å/min，到氫氣比例為 18%的 22.17Å/min；推測為氫氣原子較小使得其濺鍍過程中，濺鍍上去的物質與腔體內的氣體分子碰撞機率降低，使得其沉積速率變快。從圖 3-27 上可以明顯看出來，隨著氫氣比例提高，其折射率跟著下降，從氫氣比例 0%的 1.92，到 18%的 1.81，雖然變化速度趨緩，但明顯意味著，絕緣層的結構上的變化。. 39.

(54) 1.94 22.17. 1.92. 1.90. 22. 1.90 20.94. 20.76. 1.88. 20.33. 20. 1.86. 1.84. 1.84. 1.82. 18. -2. 0. 1.82. 1.81. 18.8. 2. 4. 6. Refractive index. Deposition rate ( Å/min). 1.92. 1.80 10 12 14 16 18 20. 8. Hydrogen percentage (%) 圖 3-27 在不同的氫氣比例下，氮化矽薄膜的沉積速率與折射率 3-1-3.2 表面粗糙度在通入氫氣之後，其表面平整度也都相當好，從圖 3-28 可看出來，其表面粗糙度都在 3Å 以下。. 5. Roughness (. Å). 4 3. 2.59. 2.37. 2.04. 2. 2.06 1.67. 1 0. -2. 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 14 16 18 20. Hydrogen percentage (%). 40.

(55) 圖 3-28 不同氫氣比例的表面粗糙度變化. 圖 3-29 氫氣 0%的表面立體圖. 圖 3-30 氫氣 6%的表面立體圖. 圖 3-31 氫氣 9%的表面立體圖. 41.

(56) 圖 3-32 氫氣 12%的表面立體圖. 圖 3-33 氫氣 18%的表面立體圖 3-1-3.4 漏電流(leakage current) 從漏電流來看圖 3-34，在通入些微的氫氣之後，其漏電流並無太大變化，但氫氣通至 18%，其漏電量大增，表示其中的結構出問題，使得電流直接穿過絕緣層。. 42.

(57) Leakage current density ( A/cm2 ). -4. 10. -5. 10. hydrogen 0% hydrogen 6% hydrogen 9% hydrogen 12% hydrogen 18%. -6. 10. -7. 10. -8. 10. -9. 10. -10. 10. -11. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Hydrogen percentage (%). 圖 3-34 不同氫氣的比例下，氮化矽薄膜的漏電流特性. 3-1-3.4 電容特性(Capacitance) 在電容特性方面，在圖 3-35 可以看出通入氫氣之後，其平帶電壓向負偏壓漂移，表示其中的儲存的電荷量增加，也代表其中的缺陷更多。. 43.

(58) 1.0. Hydrogen 0% Hydrogen 6% Hydrogen 9% Hydrogen 12% Hydrogen 18%. C/COX. 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0. -40. -35. -30. -25. -20. -15. -10. Voltage (V) 圖 3-35 不同氫氣的比例下，氮化矽薄膜的電容特性而在磁滯電壓方面，通入氫氣之後並沒有改善許多。. Hysteresis voltage (V). 2.7. 2.65. 2.6 2.5. 2.45. 2.4. 2.38. 2.3. 2.25. 2.2 2.1 2.0. 1.94. 1.9 -2. 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 14 16 18 20. Hydrogen percentage (%) 圖 3-36 不同氫氣的比例下，其磁滯電壓的比較 3-1-3.5 討論. 44.

(59) 綜合以上變化看來，通入氫氣並沒有使結構的絕緣層漏電量降低，其電容特性也變差，結構中的缺陷增加。這現象與一般研究中通入氫氣的變化差異很大；一般而言，通入氫氣其漏電量應該降低，且在電容的變化上，其平帶電壓應該向正偏壓漂移，這可能跟溫度有很大的關係，一般做氫氣鈍化(hydrogen passivation)皆會在高溫，150°C 以上，甚至有些超過 300°C。因為在我們研究中，是在室溫上成長，因此，我們未來將不在成長氮化矽薄膜過程中通入氫氣。 3-1-4 玻璃-ITO-氮化矽-鋁我們嘗試在不同的材料上面成長氮化矽薄膜，看其電性的變化，因此，我們用磁式濺鍍機在玻璃基板上，室溫成長一層 ITO，其阻值用四點探針量測約為 55Ω/□，由於怕傷及 ITO 表面，我們使用雙絕緣層方式成長，最後再鋪上金屬電極-鋁。在不一樣的氮氣條件下，其漏電流表現差異性不大，從圖 3-37 可知，在電場為 1MV/cm 的情況下，漏電流約在 1×10 −8 A/cm 2 以下，在氮氣 50%情況下，其漏電流特性更佳，約在 2×10 −9 A/cm 2 ；而在電容特性方面，由於為平行板電容結構(MIM)，所以跟先前的電容特性不太一樣，而其電容差異性，從圖 3-38，從 ± 30V 的變化性在 1%之內，也就是說其電容性幾乎不隨著偏壓改變而改變。. 45.

(60) Leakage current density (A/cm2). -8. 10. -9. 10. Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60% -10. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 3-37 在不同的氮氣比例下，在 ITO 上成長氮化矽薄膜之漏電流特性. 1.0005 Nitrogen 40% Nitrogen 50% Nitrogen 60%. 1.0000. C/COX. 0.9995 0.9990 0.9985 0.9980 0.9975 0.9970. -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. Voltage (V) 圖 3-38 在不同的氮氣比例下，在 ITO 上成長氮化矽薄膜之電容特性. 46.

(61) 3-2 非晶矽薄膜在非晶矽薄膜成長過程，我們將調整不同功率去成長，觀察不同功率 70W、80W、90W、100W 的非晶矽薄膜在特性上的變化。 3-2-1 沉積速率從圖 3-39 可以得知，隨著功率提高，其沉積速率變快，從 70W 的 10.28 Å/min 到 100W 的 14.17Å/min。. Deposition rate ( Å/min). 16 15 14.17. 14 13. 12.59. 12 11. 11.33 10.28. 10 9 8. 70. 75. 80. 85. 90. 95. 100. Deposition power (W) 圖 3-39 不同功率下，非晶矽薄膜沉積的速率 3-2-2 折射率與沉積速率相同，隨著功率的提高，其折射率也跟著提高；但低功率之折射率，較不會隨著波長改變而改變。. 47.

(62) 2.15 2.10. 70W 80W 90W 100W. Refractive index. 2.05 2.00 1.95 1.90 1.85 1.80 1.75 1.70 0.3. 0.4. 0.5. 0.6. 0.7. 0.8. Wavelength (μm) 圖 3-40 不同功率下，其非晶矽薄膜的折射率與波長對應圖 3-2-3 吸收係數(absorption coefficient) 我們利用橢偏儀，得知消光係數(extinction coefficient)-k，再帶入公式α=. 4πk. λ. (1/cm)，因此可以算出吸收係數α。隨著功率提高，在. 短波長處，吸收係數明顯提高許多。. 70W 80W 90W 100W. α (1/cm ). 10000. 1000. 0.3. 0.4. 0.5. 0.6. 0.7. Wavelength (μm). 48. 0.8.

(63) 圖 3-41 不同功率下，其非晶矽薄膜的吸收係數與波長對應圖 3-2-4 光導電性 (photoconductivity) 在暗室中，利用波長為 632.8nm 的紅光氦氖雷射(He-Ne laser)，照射非晶矽薄膜，量測其導電性的與未照光的變化。在大部分的狀況下，光導電性似乎不明顯，只有在功率在 70W 其光暗電流比例達 1.229 較為明顯。而其導電性，在功率越高的狀況下，導電狀況越好。. -9. 5.0x10. -9. 6.0x10. -9. 4.0x10. -9. 3.0x10. -9. 4.0x10. -9. 2.0x10. -9. 2.0x10. Current (A). Current (A). -9. 1.0x10. 0.0 -9. -1.0x10. 0.0. -9. -2.0x10. -9. -2.0x10. -9. -4.0x10. -9. -3.0x10. 70W-darkcurrent 70W-photocurrent. -9. -4.0x10. 80W-darkcurrent 80W-photocurrent. -9. -6.0x10. -9. -5.0x10. -30. -20. -10. 0. 10. 20. -30. 30. -20. -10. -8. 1.5x10. -8. 10. 20. 30. 1.0x10. -9. 5.0x10. -8. 1.5x10. -8. 1.0x10. -9. Current (A). 5.0x10. Current (A). 0. Voltage (V). Voltage (V). 0.0. 0.0. -9. -5.0x10. -8. -1.0x10. -9. -5.0x10. -8. -1.0x10. 90W-darkcurrent 90W-photocurrent. -8. 100W-darkcurrent 100W-photocurrent. -8. -1.5x10. -1.5x10. -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. -30. Voltage (V). -20. -10. 0. 10. 20. 30. Voltage (V). 圖 3-42 不同功率時光電流與暗電流的比較. 49.

(64) Current (A). -8. 1.4x10 -8 1.2x10 -8 1.0x10 -9 8.0x10 -9 6.0x10 -9 4.0x10 -9 2.0x10 0.0 -9 -2.0x10 -9 -4.0x10 -9 -6.0x10 -9 -8.0x10 -8 -1.0x10 -8 -1.2x10 -8 -1.4x10. 70W-photocurrent 80W-photocurrent 90W-photocurrent 100W-photocurrent. -30. -20. -10. 0. 10. 20. 30. Voltage (V) 圖 3-43 不同功率時光電流的比較. 2. Iphoto/Idark. 1.229 1.013. 1. 0. 70. 75. 1.012. 1.015. 80. 85. 90. 95. 100. Deposition power (W) 圖 3-44 不同功率時 Iphoto/Idark 比例 3-2-5 討論從以上數據看來，我們所成長的非晶矽薄膜的折射率與單晶矽仍. 50.

(65) 有一段差距，其光暗電流比例也不明顯；可能為其中的缺陷太與斷鍵太多所造成，使得其折射率與光暗電流比例明顯過低。未來可能會在濺鍍過程中通入適當的氫氣去改善其品質。. 51.

(66) 第四章結論 4-1 氮化矽本研究成功利用磁式濺鍍機，在室溫成長出高品質的氮化矽薄膜。在 10μm×10μm 的區域內，平均粗糙度在 5Å 以下。在氮氣 50% 的條件下，在 1MV/cm 的電場下，單位面積的漏電流可達 1×10 −9 A。而在通入氫氣薄膜特性反而變差，未來成長氮化矽薄膜將不考慮通入氫氣。由於除了絕緣層本身會影響量測結果之外，其接面的好壞也會影響得到的結果。因此，在雙絕緣層的作法之下，在 1MV/cm 的電場下，單位面積的漏電流也可以達 5×10 −8 A 以下；而在電容特性方面其平帶電壓(VFB)可降低至 7V，磁滯電壓更在 1V 以下。我們也成功的在 ITO 上成長氮化矽薄膜，在 1MV/cm 的電場下，其單位面積漏電流約在 1×10 −8 A。而在電容特性方面，在 ± 30V 的變化下，電容值變化也在 1%以下，表示其可在高電壓下操作而不變質。此氮化矽薄膜已足夠應用於薄膜電晶體之絕緣層當中。圖 4-1 為我們在相同的結構下，氮化矽薄膜利用 sputter 與 PECVD 的漏電做比較。由圖中我們可以清楚得知，我們的氮化矽薄膜，在矽基板或是 ITO 基板於常溫下用 sputter 成長，其漏電流特性已經與 PECVD 於 300°成長的氮化矽薄膜相差不遠。. 52.

(67) Leakage current density (A/cm2). sputting on Si at RT o PECVD on Si at 300 C sputting on ITO at RT -9. 10. -10. 10. -1.0. -0.5. 0.0. 0.5. 1.0. Electrical field (MV/cm) 圖 4-1 PECVD 與本研究的 Sputtering 氮化矽薄膜漏電特性比較 4-2 非晶矽本研究用磁式濺鍍機，在室溫成長出的非晶矽薄膜其折射率最高達 2.1，吸收係數可達 1.6×10 4 ，其功率對薄膜的影響甚大。但在光導電特性，品質相當差，薄膜內的缺陷相當多，未來需要在成長過程中通入式當氫氣，理論上是可以改善非晶矽薄膜的品質。. 53.

(68) 參考文獻 [1] M.J. Powell, Appl. Phys. Letter, Vol 38, p.794, 1981. [2]M. Pinarbasi, N. Maley, A. M.Myers, and J. R. Abelson, thin solid film. [3] Yue Kuo, Appl. Phys. Letter., Vol 63, No2,p.144,1993. [4] Takahiro Makino, Masahiko Maeda, J. Journal of Appl. Phys, Vol.25, No.9,p1300,1986 [5]P. Mach,S.J.Rodriguez, R. Nortrup, P. Wiltzius, and J.A. Rogers. [6] M. S. Feng, C. W. Liang, and D. Tseng, J. Electrochem. Soc. 141, p1040,1994. [7]Liao, C. Lin, and S. Lee, Appl. Phys. Letter, Vol.65, p2229,1994. [8] C. S. McCormick, C. E. Weber, and J. R. J. Vac. Sci. Technol. A 15(5),p2770,1997. [9] Y. H. Liang, S. Y. Yang, A. Nuruddin, and J. R. Abelson, Mater. Res.Soc. Symp. Proc. 336, 589-1994. [10] A. Kolodziej , S. Nowak, Thin Solid Films 175, 37-1989. [11] J. A. Thornton, J. Vac. Sci. Technol. Vol.11, p666 ,1974. [12] Jae Beom Choi , Duk Chul Yun, Yong In Park, Jeong Hyun Kim Journal of Non-Crystalline Solids, p1315, 2000. 54.

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(70)