利用雷射濺鍍AlN高介電材料於MIS元件結構之光電特性量測研究
80
0
0
全文
(2) 1.
(3) 利用雷射濺鍍 AlN 高介電材料於 MIS 元件結構之光電 特性量測研究 指導教授：施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系. 學生：江秉儒 國立高雄大學電機工程系. 摘要 隨著半導體高介電材料之發展其應用於MOS FET之閘極薄介電層 越來越受重視，氮化鋁AlN高介電半導體材料具有高能隙的特點且結構 穩定具有高的導熱率，因此可應用於高速微電子元件之應用，此外由於 氮化鋁對紫外光具有高穿透性因此也有潛力可應用於製作紫外光波段 之光偵測器元件，本研究利用準分子雷射濺鍍AlN薄膜於Si基板上完成 一Al/AlN/Si MIS元件之製作，並研究其光電特性。 本論文將介紹準分子雷射濺鍍AlN薄膜之基本原理及其沉積條件雷 射能量對AlN薄膜表面粗糙度之影響，以及利用I-V 及 C-V量測分析 Al/AlN/Si MIS元件介面之性質，以及其對波長光響應度的影響，作為未 來發展以Si為基礎之紫外光光偵測元件之參考。. 關鍵字：氮化鋁(AlN)、準分子雷射(Excimer Laser)、紫外光光偵測元件 (UV range photo-detector). 2.
(4) The Study of the AlN Thin Film Deposition by Excimer Laser Sputtering and Its Characterizations of MIS device Advisors: Dr. Ming-Chang Shih Institute of electrical engineering National University of Kaohsiung. Student: Pung-Ju Chiang Institute of electrical engineering National University of Kaohsiung. As the thickness of the gate oxide electrode approaches nanometer scale (2nm~10nm) the development of high-k dielectric material, such as Aluminum nitride (AlN) become attractive. The high band gap, highly stable structure, and high thermal conduction properties make AlN play an important role on the high speed microelectronics. In addition, due to the high transparency through the Ultra violet radiation, AlN material also has important applications for the UV range photo-detectors. In this thesis, we introduced the pulse laser deposition of AlN thin film on Si(100) substrate by 248nm KrF excimer laser, and the measurements of I-V and C-V characteristics of the Al/AlN/Si MIS devices fabricated to study the interfacial properties of AlN with Si(100). We also present the measurement of the wavelength dependence of the responsivity of the Al/AlN/Si MIS devices for the development of the Si based UV range detector.. Keywords: AlN、Excimer Laser、UV range photo-detector. 3.
(5) 致謝 首先誠摯的感謝指導教授施明昌博士，老師對學生的照顧以及課業研 究上的悉心指導，使學生在各方面都獲益匪淺，使我得以一窺光電元件 材料領域的深奧，不時的討論並指點我正確的方向；另外也要感謝藍文 厚教授，針對相關重點給予指正與教導，使我獲益良多。 本論文的完成另外亦得感謝國家奈米實驗室的翁敏航博士以及國家奈 米實驗室在根、宥浦、世倉、恭佑同學大力協助並提供相關資料以及實 驗量測儀器，讓本研究可以順利進行，另外要感謝世昌、豈瑋學長們不 厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解惑，也感謝同 學承恩、學弟子暘、絜敦、尊聖、志龍、鎮宇以及助理意玲小姐的幫忙， 使我論文及研究能順利完成。 兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的討論、言不及義 的閒扯、熬夜做實驗的革命情感，你們的陪伴讓兩年的研究生活變得絢 麗多彩，並再次懷著感謝的心，謝謝。. 4.
(6) 目錄 中文摘要……………………………………………… 2 英文摘要……………………………………………… 3 致謝…………………………………………………….4 目錄…………………………………………………… 5 圖目錄………………………………………………… 8 表目錄…………………………………………………12 第一章 序論…………………………………………..13 1.1 前言……………………………………………13 1.2 高介電材料簡介………………………………14 1.3 高介電材料選用的困難點 …………………..15 1.4 氮化鋁的結構及性質………………………....20 第二章準分子雷射濺鍍法原理介紹…………………23 2.1 準分子雷射工作原理………………………….23 5.
(7) 2.2 準分子雷射濺鍍原理………………………... 24 2.3 準分子雷射表面加熱效應…………………....27 2.4 分子表面吸附作用…………………………….30 2.5 濺射粒子密度之分佈………………………….34 2.6 準分子雷射濺鍍系統介紹…………………….38 第三章 雷射濺鍍 AlN 薄膜特性分析………………..40 3.1 AlN 薄膜厚度與雷射能量之關係……………..40 3.2 AlN 薄膜表面粗糙度量測……………………..42 第四章 AlN MIS 元件製程…………………………...52 4.1 MIS 元件原理……………………………....….52 4.2 AlN MIS 元件製程……………………….……57 4.2.1.矽晶片切割及清洗……………………..……57 4.3 歐姆接觸電極製作……………………..…..…59 4.4 AlN薄膜沉積…………………………….….…61 6.
(8) 4.5 Au/Al 表面接觸電極製作…………………….62 第五章 MIS元件光電特性量測與分析………….....65 5.1 C-V 特性量測…………………………………65 5.2 I-V 特性量測………………………………….68 5.3 I-V 量測對於溫度的變化……………………72 5.4 光響應度的量測……………………...............74 第六章 結論與未來展望……………………………76 參考文獻……………………………………………..77. 7.
(9) 圖目錄 圖1-1 高介電材料與矽基板的能障接合高度 圖 1-2. AlN 的晶體構造. 圖 2-1 雷射能量與溫度關係圖 圖 2-2. BET 等壓線. 圖2-3 晶粒在晶片表面進行成核的情形 圖2-4 兩個半徑相當的晶粒聚結而成一個半徑更大的晶粒分解圖 圖 2-5 平面基板與蒸發源示意圖 圖 2-6 基板徑向之膜厚分佈圖 圖2-7 準分子雷射濺鍍系統 圖 3-1 沈積氮化鋁薄膜在矽基板表面產生環形條紋 圖3-2 雷射能量與厚度關係圖 圖3-3 原子力顯微鏡機構示意圖 圖3-3 氮化鋁薄膜，雷射能量為20kv在原子力顯微鏡下所得表面形 態之影像 圖3-4 氮化鋁薄膜，雷射能量為20kv在原子力顯微鏡下所得表面高 度分布圖 圖3-5 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得表面形 8.
(10) 態之影像 圖3-6 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得表面高 度分布圖 圖3-7 氮化鋁薄膜，雷射能量為22kv在原子力顯微鏡下所得表面形 態之影像 圖3-8 氮化鋁薄膜，雷射能量為22kv在原子力顯微鏡下所得表面高 度分布圖 圖3-9 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得表面形 態之影像 圖3-10 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得表面 高度分布圖 圖3-11 氮化鋁薄膜，雷射能量為24kv在原子力顯微鏡下所得表面 形態之影像 圖3-12 氮化鋁薄膜，雷射能量為24kv在原子力顯微鏡下所得表面 高度分布圖 圖3-13 雷射能量對於薄膜表面平均顆粒大小的比較 圖 4-1 基本 MIS 結構示意圖 圖 4-2 理想 MIS 結構的能帶圖(平衡時). 9.
(11) 圖 4-3 負偏壓造成氧化層和半導體介面產生電洞聚集 圖 4-4 正偏壓造成半導體表面的正載子(電洞)變少，形成空乏區 圖 4-5 很大偏壓使 p 型半導體表面形成反轉，表面形成 n 型薄膜 圖 4-6 一光子入射半導體示意圖 圖4-7 RTA時間－溫度程式規劃 圖4-8 鋁－矽歐姆接觸I-V圖 圖4-9 電子束蒸鍍系統示意圖 圖 5-1 MIS 元件結構 圖5-2 P-type Si 上沉積AlN， 膜厚6800 Å電壓對電容的變化 圖 5-3 P-type Si 上沉積 AlN ，膜厚 6800 Å 電壓對電容的變化 圖 5-4 MIS 元件光電流-電壓量測儀器 圖 5-5 HP-4145B 儀器圖 圖 5-6 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 光強度的變化 圖 5-7 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 光強度的變化 圖 5-8 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 550 Å 光強度的變化 圖 5-9 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 550 Å 光強度的變化 圖 5-10 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2220 Å 對光強度的變化 圖 5-11 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 對於溫度的變化. 10.
(12) 圖 5-12 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 對於溫度的變化 圖 5-13 已校正之光偵測器之光響應度 圖 5-14 光纖光源(150w)利用光譜儀所量測出之光譜 圖 5-15 電壓固定 10v 其光波長對光響應度的變化. 11.
(13) 表目錄 表 1-1 目前常見的幾種高介電常數材料 表 1-2 薄膜製作技術優劣比較 表1-3 氮化鋁之物理與化學特性 表2-1 準分子雷射氣體成分，波長與光子能量 表 2-2 準分子雷射規格 表 3-1 雷射能量與厚度關係，實驗參數設定值 表3-2 雷射濺鍍氮化鋁薄膜參數設定值 表4- 1 為實驗的固定條件及參數 表 5-1. I-V 量测實驗參數設定值. 12.
(14) 第一章. 序論. 1.1 前言 隨著時代的進展與技術的進步，為增加元件運作速度和效能及降低生產 成本以符合人類生活上的要求，積體電路的元件密集度也不斷地增加， 這使得在半導體晶片上的元件數目持續地不斷成長，矽晶元件無疑的是 現今半導體工業之主要核心，半導體微電子元件金氧半場效電晶體 (MOSFET)中 SiO2 介電層的柵極結構已經演進到第七代製程技術，然而 最近幾年有不少研究團隊包括英代爾(Intel)正投入開發下一世代電晶體 的結構及製程技術，包括有元件尺寸的縮小、低耗電功率、功能提升、 降低成本等相關技術的開發，然而隨著電晶體元件尺寸縮小，柵極氧化 層也相對要變薄，而在傳統的製程中，若使用二氧化矽(SiO2 )作為介電 層，當介電層的厚度小於 2nm 時(約幾層的 SiO2 分子厚度)，急遽升高 的漏電流和嚴重的硼穿透問題將使得製程的可行性受到影響。漏電流會 嚴重影響元件開(on)與關(off)的性能，對於矽晶元件來說是一瓶頸。此 外，超薄氧化層的均勻性及製程的重覆性也會造成閘極氧化層製程的困 難，以現在 90 奈米製程，SiO2 氧化層差不多要薄到 1.2 奈米(nm)，而 當電晶體柵極工作尺寸縮小到 15 奈米時，SiO2 氧化層估計也要達到 0.8. 13.
(15) 奈米(nm)，SiO2 氧化層與 Si 基板的高穩定性與相容性，一直是矽晶元件 的特點，但這樣薄的 SiO2 氧化層結構與介面品質控制，對於元件製程技 術是一項很嚴格的挑戰，在材料本質方面，由於考慮 SiO2 中 Si 與原子 之間的鍵結距離大約需佔 7~8Å 的厚度（實際厚度極限約在 10~12Å）， 所以 SiO2 的厚度極限即為此，因此等效氧化層厚度(Effective Oxide Thickness; EOT)的電氣特性必須更為嚴謹。. 1.2 高介電材料簡介 一般材料中的原子、分子或離子受到電場作用後，正負電荷的中心位置 會因為電場作用而移動並產生電偶極距(dipole moment)。這種因為電場 作用而誘導產生的電偶極距稱為誘導偶極，如果物質具有明顯的誘導極 化現象稱為介電材料[1]。隨著場效電晶體尺寸微縮，閘極氧化層的厚度 也迅速下降，隨之而來閘極漏電流和可靠度問題越來越嚴重，使得閘極 氧化層厚度無法變薄。兼顧再提高閘極電容值和降低來閘極漏電流的前 提下，唯一的解決辦法就是將閘極氧化層替換為高介電常數材料。常見 的高介電常數材料有 ZrO2 、 Al 2 O3 、 TiO2 、 Ta 2 O5 、 HfO2 ……等，但不是 所有高介電常數材料都可作為閘極絕緣層，介電常數太大會造成太大的 邊緣電場（fringing field）[2]，邊緣電場太大會降低通道處的能障而影. 14.
(16) 響閘極對通道的控制能力，使得通道關閉時的漏電流增加。目前常見的 幾種高介電常數材料及其基本材料特性如表1-1. 高介電常數介 電層材料 SiO2 Si3 N 4 AlN Al 2 O3 Y2 O3 HfO2 ZrO 2 Ta 2 O5 La 2 O3 TiO2. 介電常數 k. 能帶間隙 (eV). 3.9 7 8.5 9 15 25 25 26 30 80. 8.9 5.1 6.2 8.7 5.6 5.7 7.8 4.5 4.3 3.5. 晶體結構 非晶 非晶 六方 非晶 立方 單斜、正方 單斜、正方 斜方 六方 正方. 表 1-1 目前常見的幾種高介電常數材料. 1.3 高介電材料選用的困難點 1. 介電常數值與能障高度的關係 對高介電值材料來說，介電常數值(K 值)當然是越高越好，但K 值越高 時，多數材料的能隙大小與對電子的能障高度會越來越小如圖1-1[3]所 示為 Roberson依據理論計算所得的多種高介電常數材料之能帶偏移關 係圖，從圖中得知不是只要介電常數高便可成為理想的材料，例如 BaTiO3 與矽接合時導電帶的能障差僅有0.1eV，因此即使它的介電常數. 夠高，但卻會失去其絕緣效果，所以我們須對這些特性多做選擇。. 15.
(17) 圖1-1. 高介電材料與矽基板的能障接合高度. 2. 介面的穩定性 以目前常用的基板材料Si來說，高介電材料的選擇必需考量到其薄膜與 Si接面品質，大部分的材料在與Si接合時往往因原子擴散而產生一層必 要的介面層，因此而必須要一層阻障層(Barrier layer)介於矽與高介電材 料之間，這一層阻障層的特性往往與二氧化矽接近或甚至是二氧化矽， 為的是能保持穩定表面結構於矽基板上，為了能維持Si表面介面的品 質，因此面對因阻障層的加入而必須改善介電層的厚度，因此高介電材 料的表面穩定性對元件之性質有重要的影響。 3. 與閘極的整合度 通常閘極氧化層材料可以分成多晶(poly-crystal)或是單晶(single. 16.
(18) -crystal)，不過最符合我們需求的為非晶型薄膜(amorphous)因為可以有 效抑制漏電流[5]。Poly-Si一直以來是標準 CMOS 製程所採用的閘極層 材料，因為它可透過離子佈值控制其濃度，進而調整臨限電壓(threshold voltage)的大小，但使用高介電薄膜為其閘極氧化層會產生如下的問題： Poly-Si 與 high-K不相容性 :Poly-Si表面容易產生一層薄薄的阻障，這 層薄薄的阻礙層往往阻擋了Poly-Si和high-K材料之間的相容性，因為在 Poly-Si與high-K材料介面之問題所產生之介面能態(surface state)面產生 多晶矽層之電荷空乏效應(poly depletion )，而造 成 等 效 閘 極 介 電 層 厚 度 的 增 加，導 致 閘 極 電 容 值 減 少 與 驅 動 力 的 衰 退。多 晶 材 料 本 身 電 阻 率 偏 高 (通 常 ≧ 1 mΩ -cm)， 容 易 使 閘 極 產 生 寄 生 電 阻 。 4. 高介電材料之薄膜製程方法 一般高介電材料的薄膜成長有多種方式，無線電頻率濺鍍法(Radio Frequency Sputtering)、脈衝雷射蒸鍍(Pulse Laser Deposition)、反應性電 子束蒸鍍(Reactive Electron Beam Evaporation)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy)、有機金屬化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等，前四項皆屬於物理氣相法，表1-2為目前常用鍍膜技術優 劣比較，在這些薄膜沈積方法中，有機金屬化學氣相沈積雖然有較快的 沈積速率，但因沈積基板溫度高達900℃，這將使基板材料受到限制；. 17.
(19) 另外射頻濺鍍法容易造成薄膜元件之雜質(impurity)；而利用高能量脈衝 雷射於高真空下濺鍍方法可適合於多樣靶材選擇，而且基板的溫度也可 以降低；同時也可以具有製作成本低、操作方便..等優點，因此本研究 將利用高能量脈衝雷射於高能隙半導體材料薄膜之成長以完成一MIS元 件結構。. 18.
(20) 磊晶 可沈積 高沈積 低基板 材料變 低製 大面積 成長 薄膜 速率 溫度 換性 成本 磁控濺鍍 (Magnetron Sputtering Deposition). －. －. －. ○. ○. ○. ○. ○. ○. －. ○. －. ○. －. ○. ○. ○. ○. －. ○. ○. －. －. ○. －. ○. ○. －. ○. ○. －. －. ○. －. －. ○. ○. ○. －. ○. －. ○. 離子束濺鍍 (Ion Sputtering Deposition). 脈衝雷射 蒸(濺)鍍 (Excimer Laserr Deposition). 反應性電 子束蒸鍍 (Reactive Electron Beam Evaporation). 分子束磊晶 (Molecular Beam Epitaxy). 有機金屬化學 氣相沈積 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). 表1-2 薄膜製作技術優劣比較[6]. 19.
(21) 1.4 氮化鋁的結構及性質 氮化鋁（AlN）是一種人造陶瓷材料，氮原子和鋁原子之間主要以 共價鍵結合，為六方晶系的纖鋅礦( Hexagonal Wurtzite )結構，亦即與金 鋼石相似，晶格常數ao = 3.111Å，co = 4.980Å，基本結構是以一個鋁原 子 為 中 心 ， 周 圍 環 繞 四 個 氮 原 子 堆 疊 而 成 的 變 形 四 形 體 (Distorted tetrahedron)，其中除了〈001〉方向的鋁-氮鍵較長外，其餘三個鋁-氮鍵 的鍵長相等，如圖1-2 所示[7,8]。強度極大的共價鍵使得氮化鋁具備高 熔點，故熔點高達3300K以上，熱傳導性佳，為少數具有高熱傳導率的 非金屬固體。氮化鋁詳細化學、物理特性如表1-3[9]所示。 氮 化 鋁 其 能 帶 寬(Energy Band Gap) (6.2eV) 且熱膨脹係數與砷化鎵 (6x10-6/K)相近等特性，故可作為半導體技術上之絕緣層、保護層及IC 封裝等材料，且AlN 與其他金屬的共存性佳，非常適合發展在壓電及聲 波等元件薄膜上。. 20.
(22) 圖1-2. AlN 的晶體構造：（a）變形四面體結構，（b）單位晶胞圖， （c）纖鋅礦之立體結構示意圖，其中黑球代表鋁原子，白球 代表氮原子. 21.
(23) 分子量 40.988 密度 3.26 g/cm3 結晶構造 六方晶系，Wurtzite 晶格參數 a=3.111Å，c=4.980Å 熔點 3300K 熱分解溫度 2790K 比熱(Cp) 7.2 cal/mol-K (@300K) 線膨脹係數 25~200℃ 4.5×10-6/℃ 熱傳導率 300K 270 W/m-K 電阻率 300K 約 1013Ω-cm 能帶寬 6.2eV 靜電介電率 ε0=9.14 介電率 光學介電率 ε00=4.84 2500Å ne=2.504 , n0=2.408 折射率 5000Å ne=2.222 , n0=2.172 超傳導轉移溫度 1.55K 維氏硬度 1050 Kg/mm2 波松比(Poisson ratio) 0.25 楊氏模數 340GPa 抗折強度 300~450MPa 表1-3 氮化鋁之物理與化學特性. 22.
(24) 第二章 準分子雷射濺鍍法原理介紹 2.1 準分子雷射工作原理 準分子電射(Excimer Laser)經由Excimer為Excited Dimer分子產生光放大 作用，一般的鈍性氣體分子，他們在一般的狀況下如(Ar,Kr,Xe..)是很難 與其它原子形成鏈結，但在高電場作用下，鈍性氣體原子會與鹵素原子 如(F,Cl..)形成一種準分子態。當分子由準分子態躍遷至基態(ground state) 時所釋放出來的光子能量很高在紫外光範圍，準分子雷射具有下列特性 [10]：(1)光子能量高(因為短波長的緣故)，(2)短脈衝長度(通常在10到 40ns) ， (3) 空 間 同 調 性 不 佳 ( 準 分 子 雷 射 的 輸 出 是 屬 於 多 重 模 態 5. (multimode)，可能包括了10 種橫向模態)。表2-1列出多種雷射主要的輸 出波長及其光子能量 E = hv = h. c. (2-1). λ. E：光子能量(J). h：蒲朗克常數(6.625×10. c：光速(m/s). λ：波長(m). -34. Js) -19. 1eV = 1.6×10. v：頻率(1/s) J. 本研究即利用氟化氪準分子雷射(KrF excimer laser)在瞬間傳遞很高的 能量給材料的表面將材料原子瞬間濺射(蒸發)而達到薄膜沉積作用，並. 23.
(25) 應用雷射濺鍍於MIS元件之製作。. Laser Medium. Wavelength (nm). Photon Energy (eV). XeF. 351. 3.53. XeCl. 308. 4.03. XeBr. 282. 4.40. KrF. 249. 4.98. ArF. 193. 6.42. KrCl. 222. 5.58. 表2-1 準分子雷射氣體成分，波長與光子能量. 2.2 準分子雷射濺鍍原理 準分子雷射濺鍍(Excimer Laser Sputtering)製程是最近發展成熟的薄膜 材料製程技術之一，具有相當多的特點，準分子雷射濺鍍只要控制幾個 製程參數，例如：雷射波長能量與脈衝頻率，就能針對於多種靶材以脈 衝數精準控制薄膜厚度達到多層膜結構、超晶格結構及奈米結構、磁性 材料、高溫超導材料、鐵電材料等薄膜結構製作，尤其是準分子雷射脈 衝時間極短(25ns以下)、能量極高(可達5J/cm2以上)，不論靶材組成元素. 24.
(26) 或複合物都能在材料表面上還沒達到熱平衡時即被瞬間氣化，而所噴出 的高動能原子氣體元素成份，比例與靶材相同，因此能直接按原有靶材 組成比例沈積於基板上，其成份之控制比其它物理氣相鍍膜技術為佳； 原因是物理沉積化合物達到熱平衡時，氣態的元素比例與其蒸氣壓有 關，蒸氣壓高的元素其含量較高，低的元素含量較低，因此不容易控制 化合物沉積比例，準分子雷射濺鍍技術運用在複合材料薄膜特別有效； 其次，由雷射濺鍍出來的靶材氣體分子因為吸收紫外光雷射的能量具有 相當高的動能，可增加表面原子間的化學鏈結，不但可促進薄膜的成長 更能因此而降低基板成長溫度，使成長出來薄膜有良好的磊晶品質。 準分子雷射濺鍍利用高功率脈衝雷射之高能量光子所產生的熱效 應及光解離效應(photolysis)，使材料表面於瞬間(~10-9 sec)吸收光子能 量，產生熱電子(hot. electrons)，熱電子將能量轉換成晶格振盪之聲子. (latticer vibration)能量而致使表面溫度上升達到蒸發。另外光解離效應是 利用雷射高能量光子將材料表面原子間的鍵結打斷，達到原子的剝離 (ablation)。因為大部份材料對紫外光的吸收較強且吸收深度(depth of absorption)淺，主要是利用紫外光高能量光子將材料氣化或原子間的鍵 結打斷，沈積至所要的基板上。 在準分子雷射濺鍍系統及機構設計上，相較於其他的鍍膜系統，顯. 25.
(27) 得較為簡單，然而對於原理方面關係到材料表面與高能量光子脈衝的相 互作用，包括高能量的解離電漿氣態分子的形成，乃與其到達基板表面 的吸附過程，其過程基本可分為以下四個階段： 1、光輻射與靶材表面分子之作用。 2、氣態分子之動力學。 3、氣態分子表面吸附作用。 4、吸附分子在基板上之成核、生長及形成連續薄膜的機制。 第一個階段，由於受到短脈衝及高能量密度雷射光束聚焦照射在靶 材表面上。使靶材表面分子瞬間加熱至蒸發溫度而產生氣化，因為非熱 平衡狀態，以致其所氣化之分子組成成份與靶材一致。 在第二階段，表面氣化的物質根據氣體動力學，在真空中以扇狀分 佈向基板方向運動；其中，電漿體溫度影響濺鍍薄膜厚度的均勻性；另 外，靶與基板的距離也是另一個影響濺鍍範圍因素，增加基板與靶材距 離可以使得濺鍍範圍變大。 第三階段是決定薄膜品質的關鍵，具有高動能的分子與表面的作 用，此作用將產生如下的影響：1、具有較高之動能分子，有助磊晶發 生並能降低製程溫度。2、高動能分子對表面之撞擊也會造成表面磊晶 應力之優選方向結晶之形成並改善磊晶品質，亦可增強薄膜密度與表面. 26.
(28) 附著力。高能量分子氣體對表面之撞擊會產生表面的部份原子濺射，而 在入射分子與濺射原子之間產生了一個碰撞對流區，這個區域是表面凝 結分子的場所，只要凝結流量密度比濺射高，當達到熱平衡時，由於鍵 結分子能量降低致使薄膜在基板表面形成，但對高能量分子碰及基板表 面也會對基板造成破壞。 第四階段是當氣體分子與固體接觸時，由於固體本身結構具有活性 基座(activity sites)或是其結構表面有原子電荷不平衡而產生活化能，造 成氣體分子滯留並集中在固體表面的現象，即稱之為吸附。對於具有表 面吸附力的固體稱為吸附劑(adsorbent)，而集中在此固體表面上之物質 稱為被吸附物(adsorbate)。吸附的力量隨著物質的不同而異，一般可分 為物理吸附及化學吸附，本研究主要以物理吸附為主要之探討。. 2.3 準分子雷射表面加熱效應 由於可知雷射脈衝瞬間能量能氣化蒸發材料，一般情況下在光瞬間照射. 與離開材料某一體積的熱量是不相等的。根據能量守衡定律，這將改變 該體積的內部能量，並依據三維熱傳導方程式[11]。. 2. ∇ T( x , y, z, t ). 1 ∂T ( x , y, z, t ) = K ∂t. 27. A ( x , y, z , t ) k. (2-2).
(29) 其 中 T 為 (x,y,z,t) 空 間 點 在 時 間 t 時 的 溫 度 。 k 為 熱 導 率 (thermal conductivity)，K為熱擴散率(thermal diffusivity)，而A(x,y,z,t)為(x,y,z)點 在時間t時單位體積中產生的熱量，在此A(x,y,z,t)為由雷射脈衝導致的熱 源項，定義為： A( x, y, z, t ) = (1 R )I 0 ( x, y, t )αe. αz. (2-3). 其中 I 0 ( x, y, z, t ) 為入射雷射強度，R為反射率(reflectivity)，α為吸收 係數(absorption coefficient)，可定義為 α=. 4πB. λ. (2-4). 其中B為材料吸收指數(absorption index)，λ為光波長；當在短波長(248nm) 時吸收係數變大，由(2-3)式可知 e. αz. =0，則A(x,y,z,t)=0。. 上述的熱導方程(2-2)式可簡化為 2. ∇ T ( x , y, z , t ). 1 ∂T( x , y, z, t ) =0 K ∂t. (2-5). 由簡化熱導方程(2-5)式，一般情況下也很難精確求得其解析解，只 能對某些情況下求解，為了方便計算我們考慮一個簡單的但與實際情況 較接近條件，假設光束功率不隨時間變化並且光束橫截面積光功率均勻 分佈即不為空間(x,y)函數。設材料表面xy方向尺寸遠大於光束直徑，材. 28.
(30) 料因雷射照射而被加熱，溫度T在x，y方向上的分佈可認為是均勻的， 因此(2-5)式，熱傳導方程： 2. ∇ T ( z, t ). 1 ∂T(z, t ) =0 K ∂t. (2-6). 根據(2-6)式可求出一方程解：. 1 −z2 ⎡ ⎤ ( ) 2 K t z z ⎛ ⎞ k t 4 ⎢⎜ ⎥ − erfC ⎟ e ⎢⎝ π ⎠ 2 4K t ⎥ ⎣ ⎦. 2I T ( z, t ) = 0 k. 其中 erf ( s) =. s. 2. ∫e. π. − x2. dx. (2-7). (2-8). 0. 而 e r f C = 1－e r f (s). (2-9). 而材料表面溫度設 z=0，則. 1. 2I ⎛ K t ⎞ 2 T (0, t ) = 0 ⎜ ⎟ k ⎝ π ⎠. (2-10). 其中氮化鋁物質參數[12]. 熱擴散率 K(T)=. k (T ) (cm2/s) ρ C p (T ). (2-11). 29.
(31) 熱傳導率 k(T)=(. 239 ) (W/cm-K) T1.1. (2-12). 比熱 Cp(T)=1.60+4.40×10-4T (J/cm3-K). (2-13). 氮化鋁(AlN)受到雷射照射表面溫度瞬間加熱，我們可由(2-10)式經 由理論加以計算能量對氮化鋁材料瞬間溫度的關係；經由模擬計算得到 能量－溫度關係圖 2-4。. 圖 2-1 雷射能量與溫度關係圖. 2.4 分子表面吸附作用 物理吸附(physisorption)主要作用力為凡德瓦爾力(Van Der Waal’s Force)係由倫敦擴散力(London-dispersion Force)及靜電吸引力(Classical Electrostatic Interaction Force)所形成，當吸附質與吸附劑接近其分子所 30.
(32) 帶的電子將產生連續波動。根據倫敦擴散理論，當原子或分子上的電子 連續運動時，將會產生暫時性及迅速變動的偶極矩(Dipole Moment)。具 有偶極矩的分子，當接近固體表面時將干擾表面分子，使其電子分佈產 生波動而讓表面分子產生暫時性的偶極矩；偶極與偶極(dipole-dipole)間 相互作用力和感應偶極力(induced dipoles)等；由於結合未涉化學鍵的破 壞重組，故吸附量不像化學吸附一樣受單分子層的限制，而有多層吸附 現象。對物理吸附而言，吸附量一般會隨溫度升高而下降，故對吸附的 效率而言，溫度越低越好[13-16]。BET方程式多用於氣體吸附現象[17]， 此方程式由Brunauer、Emmett與Teller提出固體表面能進行氣體分子之多 層吸附，這個方法基本上是由Langmuir吸附為出發，與Langmuir方程式 類似不同點為多層吸附，即最大吸附量並非表面覆蓋一層，事實上在被 吸附物質的蒸氣壓接近飽和蒸氣壓時，吸附分子數量有明顯增加的趨 勢。BET方程式表示如下：. P 1 1 c -1 P = + P0 - P V c V0 c V0 P0. (2-14). 得. P V cx = ；x = P0 V0 (1 - x) [1 + (c - 1)x]. (2-15). c = e( E -Eν ) / RT. (2-16). 1. 31.
(33) P0 = a 0 e - E. V. / RT. (2-17). 其中 E1：第一層吸附能量(adsorption energy) Ev：往後一層吸附能量 V：壓力為P時吸附氣體體積 V0：單層完全吸附氣體體積 P：吸附物質的蒸氣壓 Po：吸附物質飽和蒸氣壓 R：理想氣體常數 T：氣體絕對溫度(K) Tg：基板溫度 利用式(2-15)畫出如圖 2-2，. V 與 c 關係圖，當 c(Tg 小)越大表示氣 V0. 體分子更容易吸附在固體表面，所以溫度越低對薄膜沈積速率越高。. 32.
(34) 圖 2-2 BET 等壓線 最後薄膜的晶粒(Grain)生成並非濺鍍一開始就達成，而是長晶的過程必 須在表面上進行，薄膜與表面間的表面能(Surface Energy)就必須加以考 慮 。 此 所 將 涉 及 界 面 長 晶 過 程 稱 為 “ 非 均 勻 成 核 (Heterogeneous Nucleation)“，此時必須考慮原來均勻成核(Homogeneous Nucleation)條件 外還必須考慮介面的濕潤(Wetting)情形。倘若薄膜與晶片之間的潤濕能 力愈好，則晶片上所沈積的晶粒愈小，晶粒與表面間的潤濕夾角(Wetting Angle)愈小如圖2-3，才能形成完整晶粒，最初進入成長階段的薄膜並非 完整及連續，必須再經過晶粒聚集如圖2-4、隧道填補，最後才形成連續 薄膜[18]。. 33.
(35) γGF：氣相與薄膜間的界面能 γGS：氮相與基板表面的界面能 γFS：薄膜與基板表面的界面能 θ：潤溼夾角. 圖2-3 晶粒在晶片表面進行成核的情形. 圖2-4 兩個半徑相當的晶粒聚結而成一個半徑更大的晶粒分解圖. 2.5 濺射粒子密度之分佈 準分子雷射光聚焦一小點於材料上以致氣化張角太小，而使薄膜不 易產生大面積的均勻性，所以將在本節做探討。薄膜厚度之均勻性不僅 關係到量的多寡也將影響薄膜因膜厚分佈不均所產生梯度(gradient)的 變化；當一分子碰到基板不一定會馬上附著，其附著比稱為吸附係數， 吸附係數與分子入射角及其特性、基板表面特性、基板溫度都有相關； 為了簡化計算將基板任一點的吸附係數設為 1[19]。設有一材料之平面. 34.
(36) 蒸發源發射至基板，其蒸氣發射方向與靶材中心軸夾 α 角之立體角ｄω 內會沈積薄膜 dM，經積分後應得到 m = ∫ dM (n + 1)m ⋅ cos nα dM = dϖ 2π. (2-18). 其中 n 為靶材之蒸氣參數與產生蒸氣能量大小、方式及材料有關。 設靶材是沈積在基板任一點 P 處的單位面積 ds 上，P 處與蒸發源距離為 r，此時 ds 與材料蒸氣方向成 θ 角，如圖 2-5 所示[20]，則上式可表示. dM =. (n + 1) ⋅ m ⋅ cos nα⋅ cosθ ds 2 2πr. 圖 2-5 平面基板與蒸發源示意圖. 35. (2-19).
(37) 假設薄膜密度為 D，則基板上之膜厚 d 為. m ⋅ cos nα⋅ cosθ ds d= 2π 2 ( )D ⋅ r n +1. (2-20). 因基板與靶材平行則 α=θ，蒸發源距中心 q，基板距靶材垂直高度 h，基板任一點 P 與中心距離 ρ，距蒸發源 r 則. (2-21). r2 = h 2 + (QS)2. 其中 (QS)2 = (QB)2 + (BS)2 = (ρsinφ)2 + (q −ρcosφ)2. (2-22). 即 r2 = h 2 + (ρsinφ)2 + (q −ρcosφ)2. cosθ=. h = r. h 1 2 2. [h + (ρsinφ) + (q −ρcosφ) ] 2. 2. 1. h 2 + (ρsinφ)2 + (q -ρcosφ)2 - 2 =[ ] h2. 1 ρ q q ρ ρ = [1 + ( )2 sin 2φ+ ( )2 - 2( )( )cosφ + ( )2 cos 2φ] 2 h h h h h. 1. q ρ q ρ = [1 + ( ) 2 + ( ) 2 - 2( )( )cosφ] 2 h h h h. 36. (2-23).
(38) 設基板中心即 ρ=0 之膜厚為 d0，在 P 點之膜厚為 d，則由(2-20)式可求 得知. q 1 1 + ( )2 d h ={ }2 ρ q ρ q d0 [1 + ( ) 2 + ( ) 2 - 2( )( )cosφ]n+1 h h h h. (2-24). q h. 圖 2-6 為假設(2-20)式，h>>q，即 = 0 而 n=1、2、3、4 之膜厚分佈 圖；可見在遠離中心之膜厚逐漸變薄，若把 h 加大則膜厚分佈之均勻性 可獲得改善。. ρ/h. 圖 2-6 基板徑向之膜厚分佈圖. 37.
(39) 2.6 準分子雷射濺鍍系統介紹 準分子雷射濺鍍系統的組成，系統如圖2-4所示，在雷射方面，是以準分 子雷射(LAMBDA PHYSIK LPX200i)規格如表2-2，原因是他具有較高的 雷射能量且以脈衝式的雷射光源，能在短時間裡將材料表面原子完全脫 離；真空系統是利用機械幫浦(Mechanical Pump)粗抽再搭配渦輪幫浦 (Turbomolecular pump)細抽使腔體達到背景真空壓力為1×10-4Torr以下 再啟動Cryo pump達到減少 H 2 O 分子吸附在腔體當真空度達到1×10-5Torr 以下再啟動雷射；在光路設計方面，雷射光先透過光圈之後為了讓光束 能量集中，通常會再經由凸透鏡（焦距30cm）聚焦，然後經過一面248nm 反射鏡讓光導入真空腔裡，然後移動透鏡使焦點落在靶材上，通常會在 聚焦透鏡後面加裝一各活動式光強度檢測計(power meter)量測雷射光打 到靶材的光強度，在靶材座上面裝設一旋轉馬達(轉速100 rpm)以增加濺 鍍之均勻性，靶材與基板距離約為5cm；另外在樣品座上溫度能控制在 10K~300K，準分子雷射濺鍍系統在機構設計上的優點是雷射源射於真 空腔體外可增加強度射源調整之方便性，亦可將濺鍍材料擴大到較複雜 的化合物。. 38.
(40) 圖2-7準分子雷射濺鍍系統. 雷射型號(Type of Laser). LPX 200i Series. 波長(Wavelength). 248nm(KrF). 脈衝能量(Pulse Energy). 700mJ. 最大脈衝頻率(Max.Rep. Rate). 100Hz. 平均功率(Average Power). 65W. 脈衝持續時間(Pulse Duration). 25ns. 光束大小(Beam Dimensions). 5-12×23 mm2 (V×H). 光束發散度(Beam Divergence). 1×3 mrad(V×H). 表 2-2 準分子雷射規格. 39.
(41) 第三章 雷射濺鍍 AlN 薄膜特性分析 3.1 AlN 薄膜厚度與雷射能量之關係 雷射功率越高，相對的從靶中氣化的原子數目越多；另外在薄膜沈 積時，高能的氮化鋁分子不受內部氣體散射，因此較容易到達基板，所 以雷射能量越大沈積速率越快膜厚越厚。量測薄膜厚度，首先考慮薄膜 均勻度問題，由於本系統真空腔體太小導致靶與基板無法再增加之間距 離(目前為 5cm)，而使材料所氣化分子的張角無法有效擴大，所以觀測 可發現薄膜產生同心圓的條紋現象如圖 3-1，所以在利用膜厚掃瞄儀量 測厚度時，通常選擇最中心的值以得到最佳的沈積速率。本實驗參數如 表 3-1，實驗結果如圖 3-2 為雷射能量對厚度的關係圖，由圖中可發現 當能量約為 718~988mJ 時沈積速率明顯提高，另外由圖 2-1 可知到當能 量為 1000mJ/cm2 瞬間溫度超過 3500K 以上，由表 1-3 我們可得氮化鋁 熔點為 3300K，所以當能量超過此臨界能量時，氮化鋁將幾乎完全氣化， 並能因此得到較佳的沈積速率。另外小於臨界能量時，濺鍍出來的氣體 分子將無法到達飽和汽壓，所以沈積速率明顯降低；我們更能由脈衝數 來精準控制薄膜厚度，尤其是在需要奈米級的薄膜上更能掌握每個脈衝 所沈積的厚度。. 40.
(42) 圖 3-1 沈積氮化鋁薄膜在矽基板表面產生環形條紋. 基板. Si. 雷射能量(mJ/cm2). 510/635/718/748/988. 脈衝頻率. 5. 靶材與基板距離(cm). 5. 基板溫度(℃). 25. 真空壓力(Torr). 1×10−4 以下. 濺鍍時間(minute). 10. 表 3-1 雷射能量與厚度關係，實驗參數設定值. 41.
(43) 4000. 3500. Thickness(A). 3000. 2500. 2000. 1500. 1000. 500 500. 600. 700. 800. 900. 1000. L a s e r p o w e r (m J ). 圖3-2 雷射能量與厚度關係圖. 3.2 AlN薄膜表面粗糙度量測 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是由 Binning、Quate 及 Gerber 於1986 年所提出[21]，其在科學應用上已非侷限於奈米尺度表 面影像的量測，更廣為應用於奈米尺度下微觀物性量測，對奈米科技有 直接的助益。原子力顯微鏡具有原子級解像能力，可應用於材料表面檢 測，並能在真空、氣體或液體環境中操作，是屬於掃描探針顯微技術 （Scanning Probe Microscopy, SPM）具有掃描機制與動作及微細探針機 制的顯微技術，而原子力顯微鏡為掃描探針顯微技術(SPM)的一種，此 類顯微技術都是利用特製的微小探針，針尖尖端直徑介於20至100nm之. 42.
(44) 間，AFM探針一般由成份為Si或Si3N4懸臂樑及針尖所組成，主要藉由 針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，來偵測探針與樣 品表面之間的某種交互作用如圖3-3，如穿隧電流、原子力、磁力、近場 電磁波等等。以測得表面結構形狀。然後使用一個具有三軸位移的壓電 陶瓷掃瞄器，使探針在樣品表面做左右前後掃瞄，並利用此掃瞄器的垂 直微調能力及迴饋電路，讓探針與樣品間的交互作用在掃瞄過程中維持 固定，此時兩者距離在數至數百Å (10-10m) 之間，而只要記錄掃瞄面上 每點的垂直微調距離，便能得到樣品表面的等交互作用圖像，而這些資 料便可用來推導出樣品表面特性。 AFM的探針是由針尖附在懸臂樑(cantilever)前端所組成，當探針尖 端與樣品表面接觸時，由於懸臂樑的彈性係數與原子間的作用力常數相 當，因此針尖原子與樣品表面原子的作用力便會使探針在垂直方向移 動，而藉著調整探針與樣品距離，便可在掃瞄過程中維持固定的原子 力，此垂直微調距離，便可當成二維函數儲存起來，也就是掃瞄區域的 等原子力圖像，這通常對應於樣品的表面形貌，一般稱為高度影像。 AFM 操作模式可區分為三大類： (1)接觸式(contact)：在接觸式操作下，探針與樣品間的作用力是原子間 的排斥力，這是最早被發展出來的操作模式，由於排斥力對距離非常敏. 43.
(45) 感，所以接觸式 AFM 較容易得到原子解析度。在一般的接觸式量測中， 探針與樣品問的作用力很小，約為 10-6 至 10-10 牛頓，但由於接觸面積極 小，因此過大的作用力仍會損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得 到較佳的解析度。因此選擇適當的的作用力，接觸式的操作模式是十分 重要的。 (2)非接觸式(non-contact)：為了解決接觸式AFM可能損壞樣品的缺點， 便有非接觸式AFM發展出來，這是利用原子間的長距離吸引力『凡德瓦 爾力』來運作力（此時為吸引力，力量約在10至12 N，針尖與樣品表面 間的距離約為50Å至100 Å）。凡德瓦爾力對距離的變化非常小，因此必 須使用調變技術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就 是樣品的高度影像。一般非接觸式AFM只有約50nm的解析度，不過在 真空環境下操作，其解析度可達原子級的解析度，是AFM中解析度最佳 的操作模式。 （3）間歇接觸式（或稱為輕敲式，intermittent contact or tapping） ：第三 種輕敲式AFM則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與樣品距離加 近，然後增大振幅，使探針在振盪至波谷時接觸樣品，由於樣品的表面 高低起伏，使得振幅改變，再利用類似非接觸式的迴饋控制方式，便能 取得高度影像[22]。由於AFM具有原子級的解析度，是各種薄膜粗糙度. 44.
(46) 檢測，及微觀表面結構研究的重要工具。. 圖3-3 原子力顯微鏡機構示意圖 將不同雷射能量濺鍍的氮化鋁薄膜參數如表3-2，利用原子力顯 微鏡分析其表面平均粗糙度，本研究所使用機型為間歇接觸式可由長與 寬5μm的薄膜分析範圍結果得知，如圖3-3、3-5、3-7、3-9、3-11為AFM 表面形態圖。圖3-4、3-6、3-8、3-10、3-12為AFM表面高度分布圖，從 圖中整理出圖3-13可以得知當能量在20kv-22kv時表面顆粒眾多，大小不 一分布很廣顆粒大小不一但大多集中在20~40nm之間，23kv時表面平整 度不錯但是當有顆粒時顆粒大小大約為45~60nm之間，當能量在24kv時 表面平整度最好，表面顆粒大小大部份集中在20~30nm之間，所以以目 前實驗系統來看雷射能量24kv能打出平整度很高的薄膜。 45.
(47) 基板. P-Type Si or N-Type Gan. 雷射能量. 20kv/21kv/22kv/23kv/24kv. 脈衝頻率(pulse/sec). 5. 靶材與基板距離(cm). 5. 基板溫度(℃). 25. 真空壓力(Torr). 1×10 −4 以下. 濺鍍時間(minute). 20. 表3-2 雷射濺鍍氮化鋁薄膜參數設定值. 圖3-3 氮化鋁薄膜，雷射能量為20kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像. 46.
(48) 圖3-4 氮化鋁薄膜，雷射能量為20kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖. 圖3-5 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像. 47.
(49) 圖3-6 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖. 圖3-7 氮化鋁薄膜，雷射能量為22kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像. 48.
(50) 圖3-8 氮化鋁薄膜，雷射能量為22kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖. 圖3-9 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像 49.
(51) 圖3-10 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖. 圖3-11 氮化鋁薄膜，雷射能量為24kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像. 50.
(52) 圖3-12 氮化鋁薄膜，雷射能量為24kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖. 60. average surface roughness (nm). 55 50 45 40 35 30 25 20 15 20. 21. 22. 23. 24. L a s e r V o lta g e ( k v ). 圖3-13 雷射能量對於薄膜表面平均顆粒大小的比較 51.
(53) 第四章 AlN MIS 元件製程 4.1 MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）元件原理 所謂的金屬氧化半導體，指的就是組成MIS元件的三種基本材料：金屬 層（Metal）、介電層（Insulator）、及半導體（Semiconductor）等。MIS 便是由這三層厚度不等的材質依順序堆疊之後所產生的，ㄧ個基本的 MIS結構如圖4-1所示， 以P-type半導體基板為例來說明，圖4-2是未施 加電壓前，理想MIS結構的能帶圖。在MIS的電極上開始施加正電壓或 負電壓後，半導體表面會出現三種不同狀況[23、24]： （1） 施加負電壓，即電極電壓小於零時，負電壓會吸引半導體表 面的正電荷至半導體及絕緣層的界面來。這樣一來，在半導 體表面就聚集了比在平衡狀態更多的正載子(電洞)。在這種 情形下接近半導體表面的能帶就會向上彎曲，如圖4-3所示， 半導體表面向上彎區使 Ei − E fs 的能差變大，進而提升電洞濃 度，此種情況稱為聚集（accumulation）。 （2） 當開始施加正電壓在金屬電極。在正電壓不大時，電極正電 壓開始吸引一些負電荷到達半導體與氧化層的界面，使得半 導體表面的正載子(電洞)變少，能帶向下彎曲，如圖4-4所. 52.
(54) 示，稱為空乏(depletion)。此時在半導體內會產生一個空乏區 (depletion region)。 （3） 當在金屬電極上施加的正電壓越加越大，能帶向下彎曲的程 度更形嚴重，使得表面的本質能階 Ei 越過費米能階，這表示 正閘極電壓正開始在氧化層和p-tye半導體介面處吸引超量 的負載子(電子)，當p-type半導體表面電子(少數載子)數目大 於電洞(多數載子)時，半導體表面層會產生反轉使p-type轉化 為n-type，如圖4-5所示，稱為反轉（inversion）。 以上是以p-type半導體來說明，若是n-type半導體剛好相反。MIS結 構可視為一個電容器，金屬電極施加電壓會間接影響到半導體與絕緣層 界面的電荷變化，同時電容值也會隨著改變。MIS元件亦可作為光偵測 器，其原理為當一各光子打入半導體內，如果其光子能量hv大於半導體 能帶寬度 E g ，則光子被半導體吸收且激發同時產生一電子電洞對，如圖 4-6所示，若此時外加負向偏壓，則因半導體隨著光照強度的增加表面能 帶上升(Bending)，電子可流向半導體基底端電極造成光電流的電子電洞 對數目增加了，因此在固定偏壓下光電流訊號必增加。此種MIS光偵測 元件之優點為：低訊號、反應速度快，若再配合絕緣層材料的選擇，可 達到偵測特定波長之光偵測效果，特別利用高能隙之介電材料於UV波 53.
(55) 段之光偵測元件製作。. 圖 4-1 基本 MIS 結構示意圖. 圖 4-2 理想 MIS 結構的能帶圖(平衡時). 54.
(56) 圖 4-3 負偏壓造成氧化層和半導體介面產生電洞聚集. 圖 4-4 正偏壓造成半導體表面的正載子(電洞)變少，形成空乏區. 55.
(57) 圖 4-5 很大偏壓使 p 型半導體表面形成反轉，表面形成 n 型薄膜. 圖 4-6 一光子入射半導體示意圖. 56.
(58) 4.2 AlN MIS 元件製程 在沉積薄膜之前，必須對晶片清洗，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，本研究因為 使用兩種不同基板所以清洗晶片的過程使用了兩種不同的清洗步驟，以 降低元件的污染。. 4.2.1.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. 57.
(59) 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。 ◎RCA Clean清洗： (5) 將晶片浸入 H 2 SO. 4. : H 2 O 2 = 4 : 1 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 : H 2O = 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 NH 4 OH : H 2 O 2 : H 2 O = 1 : 1 : 5 的 SC-1 溶 液 ， 將 溫度提升到 80℃~90℃浸泡 10 分鐘，主要有 2 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。[25][26]， 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 : H 2O = 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。. 58.
(60) (9) 將晶片浸入 HCl : H 2O2 : 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[25][26]，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 : H 2 O = 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。. 4.3 歐姆接觸電極製作 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，本研究以快速熱退火機(RTA)，並程 式設定時間－溫度關係圖4-7所示，首先我們利用不同溫度作鋁與矽的退 火處理發現在600℃有良好的歐姆接觸品質，並於600℃作分別1~10分的 退火處理，並重覆驗證，發現在5分鐘時直線斜率最大如圖4-8所示，以 達到最佳歐姆接觸條件。. 59.
(61) 圖4-7 RTA時間－溫度程式規劃 annealing. 0.015. NO annealing 0.010. Current(A). 0.005. 0.000. -0.005. -0.010. -10 -9 -8. -7. -6. -5. -4. -3. -2. -1. 0. 1. 2. 3. 4. Voltage(Volt). 圖 4-8 鋁－矽歐姆接觸 I-V 圖. 60. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
(62) 4.4 AlN薄膜沉積 本研究利用準分子雷射濺鍍系統(Excimer Laser sputter)，在矽基板上以 及n-GaN上沈積氮化鋁薄膜，準分子雷射濺鍍系統最大特色是利用高能 量的雷射光將靶材上的AlN直接濺鍍在基板上，首先利用機械幫浦 (Vacuum pump)進行腔體粗抽真空度 9 × 10 −3 Torr以下再啟動渦輪幫浦 (Turbomolecular pump)再利用離子真空計(Ionization Gauge)量測腔體真 空度，當腔體細抽真空度達到 1 × 10 −4 Torr以下即可開始濺鍍，實驗所使 用的靶材為直徑2 吋、厚度0.65mm、純度99.999%的AlN靶，靶材與基 板的距離為5 公分。在開始濺鍍AlN 前，要先利用準分子雷射系統預濺 鍍1-3分鐘，將AlN靶表面的氧化物及汙染物移除，當真空度達到高真空 之後便可以打開準分子雷射擋板進行AlN 沉積。 實驗程序參數如下： 1.先啟動準分子雷射(Excimer Laser)，調整到適當能量將雷射聚焦，進行 預濺鍍1-3分鐘以去除靶材上的不潔物。 2.晶片清洗完成之後，放入真空室中，待渦輪分子幫浦抽至 1 × 10 −4 Torr 以 下。 3. 再啟動準分子雷射(Excimer Laser)，進行薄膜成長。 4. 沈積完成後，待真空室溫度降為室溫時，便可取出晶片。 61.
(63) 基板. Si or n-GaN. 靶材. AlN(99.99%). 基板與靶材距離. 5cm. 雷射頻率. 5HZ. 真空壓力. < 1 × 10 −4 torr. 基板溫度. 室溫~300k. 準分子雷射 power. 20kv~24kv. 表4- 1 為實驗的固定條件及參數. 4.5 Au/Al 表面接觸電極製作 當薄膜沉積完畢之後利用氮氣破真空取出樣品，迅速放入實驗室自組之 電子槍蒸鍍系統如圖4-9，之所以利用電子槍蒸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/金，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1×10-5Torr以下時， 利用電源控制電子束加熱置於坩堝之鋁靶/金靶，純度為99.99%的鋁錠/ 金錠，使其達到熔點並達到蒸鍍效果，並控制膜厚在2000Å作為薄膜接 觸之電極。. 62.
(64) 實驗程序如下： (1) 將已鍍薄膜完成樣品放入電子束真空腔裡，待低溫幫浦(Cryo pump)抽至 1×10-5Torr 以下。 (2) 設定膜厚速率儀鋁/金材料蒸鍍之參數，以偵測精準膜厚。 (3) 開啟電子束電源控制器，並逐漸慢慢加大電流。 (4) 等待鋁/金金屬靶處於完全融化狀態，先啟動膜厚速率儀，再移去檔 板，進行薄膜成長。 (5) 控制電流使沈積速率保持在 2~3Å/sec.。 (6) 當達到所需膜厚時即可關閉檔板及慢慢降低電流，待真空室溫度 降為室溫時，便可取出晶片即完成電極製作。. 63.
(65) 圖4-9 電子束蒸鍍系統示意圖. 64.
(66) 第五章 MIS 元件光電特性量測與分析 本研究的量測樣品主要為 MIS 元件，此結構分為三層─金屬(Al)/介電 層(AlN)/半導體(p-type Si 或 n-type GaN)，結構如圖 5-1。. 圖 5-1 MIS 元件結構. 5.1 C-V 特性量測 MIS 元件的金屬閘極以及基板，其實就像是電容器的上下極板一樣，因 此 MIS 元件也是具有充放電的功能，並可藉由簡單 C-V 量測來檢驗 MIS 之電氣特性，本研究在 P 型矽基板以上，利用準分子雷射沉積 6800 Å 氮. 65.
(67) 化鋁薄膜並利用 Agilent Technologies E4980A Precision LCR Meter, 20 Hz to 2 MHz 量測樣品高低頻的 C-V 值，從 C-V 的量測可以決定 MIS 元 件的參數，由圖 5-2、5-3。可以清楚看出，如理論中所預測的聚集、空 乏及反轉的特性，且估計平帶(Flat band)電壓 VF 大約是 5V，從圖中可以 看出在 P-type 基板上遲滯迴路均呈現反時針方向的走勢，表示矽基板介 面處有電荷陷住(trapped)，開始量測時由閘極施加負偏壓，使多數載子 (即電洞)被趕往矽基板介面處造成聚積，此時電洞可由矽基板注入並陷 住於薄膜內；同時，薄膜內部電子同樣也有機會脫離而從矽基板離開， 此時薄膜內部相對帶有較多的正電荷累積，當外加電壓量測至正偏壓 後，反轉載子(即電子)被陷入到薄膜內，而電洞則被釋出，薄膜內部相 對地造成較多的負電荷累積，造成曲線往正偏壓方向移動。. 66.
(68) 1MHZ 7.00E-013. Capacitance(F). 6.00E-013. 5.00E-013. 4.00E-013. 3.00E-013. 2.00E-013. -20. -10. 0. 10. 20. Voltage(Volt). 圖 5-2 P-type Si 上沉積 AlN， 膜厚 6800 Å 電壓對電容的變化 500HZ 2.40E -012 2.30E -012. Capacitance(F). 2.20E -012 2.10E -012 2.00E -012 1.90E -012 1.80E -012 1.70E -012 1.60E -012 -20. -10. 0. 10. 20. Voltage(Volt). 圖 5-3 P-type Si 上沉積 AlN ，膜厚 6800 Å 電壓對電容的變化 67.
(69) 5.2 I-V 特性量測 在 P 型矽基板上，依相同能量不同厚度方式濺鍍薄膜實驗參數如表 5-1， 分別得到 2350Å、550 Å、2220 Å 厚度的氮化鋁，製作成上述 MIS 元件 量測儀器如圖 5-4，再利用 HP-4145B 量測系統如圖 5-5，量測電流-電壓 之關係如圖 5-6、5-7、5-8、5-9 P-type 基板上之 Al 電極未經過退火處理， 其電極並不是歐姆接觸(ohmic-contact)，發現在負電壓下還是會有光電 流，如果將電極經過 600℃退火處理後，在量測其 I-V 特性則如圖 5-10。. 基板. AlN/Si or AlN/GaN. 雷射能量. 20KV. 脈衝頻率. 5. 靶材與基板距離(cm). 5. 基板溫度(℃). 25. 真空壓力(Torr). < 1 × 10 −4 torr. 表 5-1. I-V 量测實驗參數設定值. 68.
(70) 圖 5-4 MIS 元件光電流-電壓量測儀器. 圖 5-5 HP-4145B 儀器圖. 69.
(71) no light light 25% 50% 75% 100%. 0.00040 0.00035. Current(Amp). 0.00030 0.00025 0.00020 0.00015 0.00010 0.00005 0.00000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.510.0. Voltage(Volt). 圖 5-6 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 光強度的變化 no light light 25% 50% 75% 100%. 0.0004. 0.0002. Current(Amp). 0.0000. -0.0002. -0.0004. -0.0006. -0.0008. -0.0010 -10.0-9.5 -9.0 -8.5 -8.0 -7.5 -7.0 -6.5 -6.0 -5.5 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0. V oltage(V olt). 圖 5-7 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 光強度的變化. 70.
(72) no light light 25% 50% 75% 100%. 0.00030 0.00028 0.00026 0.00024 0.00020 0.00018 0.00016 0.00014 0.00012 0.00010 0.00008 0.00006 0.00004 0.00002 0.00000. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0. Voltage(Volt). 圖 5-8 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 550 Å 光強度的變化. 0.0002 0.0000 -0.0002. Current(Amp). Current(Amp). 0.00022. -0.0004 -0.0006 -0.0008. no light light 25% 50% 75% 100%. -0.0010 -0.0012 -0.0014. -10.0-9.5-9.0-8.5-8.0-7.5-7.0-6.5-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0. Voltage(Volt). 圖 5-9 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 550 Å 光強度的變化. 71.
(73) 0.0035. no light light 25% 50% 75% 100%. 0.0030 0.0025. Poto Current(A). 0.0020 0.0015 0.0010 0.0005 0.0000 -0.0005 -0.0010 -0.0015 -0.0020 -10. -5. 0. 5. 10. 15. 20. Voltage(Volt). 圖 5-10 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2220 Å 對光強度的變化. 5.3 I-V 量測對於溫度的變化 在 P 型矽基板上以及 N 型 GaN 基板上，依相同能量不同厚度方式濺鍍 薄膜，薄膜厚度為 2350Å 並對基板提升溫度，再透過 HP-4145B 量測系 統，量測電流-電壓的關係如圖 5-11,5-12，從圖中可以發現當溫度上升 時因熱輻射放射電子數增加(thermionic emission)所產生之電阻率改變。. 72.
(74) 25C 30C 35C 40C 45C 50C 55C 60C 65C 70C 75C. 0.0000030. Current(Amp). 0.0000025. 0.0000020. 0.0000015. 0.0000010. 0.0000005. 0.0000000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0. Voltage(Volt). 圖 5-11 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 對於溫度的變化. 25C 30C 35C 40C 45C 50C 55C 60C 65C 70C 75C. 0.00010. Current(Amp). 0.00005. 0.00000. -0.00005. -0.00010. -0.00015 -10.0-9.5-9.0-8.5-8.0-7.5-7.0-6.5-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0. Voltage(Volt). 圖 5-12 P-type Si 上沉積 AlN 膜厚 2350 Å 對於溫度的變化. 73.
(75) 5.4 光響應度的量測 本研究利用穩定的光纖光源(150w)利用光譜儀量測其光譜如圖 5-14，利 用已校正之標準光偵測器其光譜反應度如圖 5-13 作為光度之校正，並量 測不同 AlN 厚度之 MIS 光響應度如圖 5-15，可以發現厚度越薄其光響 應度越好，另外並製作一鍍金電極其光響應度並沒有比鋁電極來的好。. 圖 5-13 已校正之光偵測器之光響應度. 74.
(76) 800000 700000 600000. 400000 300000 200000 100000 0 400. 500. 600. 700. 800. 900. W a v e le n g th (n m ). 圖 5-14 光纖光源(150w)利用光譜儀所量測出之光譜 6800A (鋁電極) 3500A (鋁電極) 2220A (金電極). 0.10. 0.08. Responsivity(A/W). Intensity. 500000. 0.06. 0.04. 0.02. 0.00. 400. 500. 600. 700. 800. W avelength(nm). 圖 5-15 電壓固定 10v 其光波長對光響應度的變化. 75. 900.
(77) 第六章 結論與未來展望 本研究利用雷射濺鍍鋁薄膜於Si基板上，並完成一MIS元件之製作，透 過I-V、C-V、光響應度等光電特性量測結果整理與分析，得到下列幾點 結論： 1. 雷射濺鍍可以方便應用於高能隙介電材料之鍍膜，可得到良好的表面 介面性質與平整度，但受限於雷射光束聚焦面積小，無法達到大面積 的薄膜製程，利用基板移動或雷射來回掃瞄亦可解決大面積鍍膜問 題，但會使濺鍍速率下降，若能克服上述一些缺點，在雷射薄膜濺鍍 技術上將更具有應用之潛力。 2. 從 C-V 量測具有清楚的聚集、空乏及反轉的 C-V 特性，證明 AlN/ P-type Si(100)可以達到理想之 MIS 元件結構。 3.利用 400~825nm 波長之光纖光源照射於在 AlN 製作之 MIS 結構，得 到響應度範圍 400~825nm，可應用於可見光之光偵測器，由於 AlN 具 有高介電常數及 UV 穿透性，因此可以利用雷射濺鍍控制 AlN 之厚 度，使其用於光響應度 100~200nm 範圍內，可用於 UV 光波段偵測器 之發展。. 76.
(78) 參考文獻 [1]林振華, “電子材料”,p6-2-p6-35,2001. [2]G. C. F. Yeap, S. Krishnan, and M. R. Lin ,“Fringing-induced barrier lowering (FIBL) in sub-100 nm MOSFETs with high-K gate dielectrics,” Electron Lett., vol. 34, no. 11,. p1150-1152, 1998.. [3] J. Roberson and C. W. Chen : Appl. Phys. Lett. 74 (1999) p.1168 [4] Wilk, Wallace, and Anthony, Appl. Phys. Rev. 89, 10(2001) [5] J. Kwo, M. Hong, A. R. Kortan, K. T. Queeney, Y. J. Chabal, J. P. Mannaerts, T. Boone, J. J. Krajewski, A. M. Sergent, and J.M. Rosamilia, Appl. Phys. Lett. 77, 130 (2000). [6] 鄧文浩, “強介電薄膜的物理氣相沈積技術”, 強介電薄膜材料技術專 題, No.155, 1999. [7] P. K. Kuo, G. W. Auner and Z. L. Wu, “Microstructure and Thermal Conductivity of Epitaxial AlN Thin Films”, Thin Solid Films, 253 (1994) 223-227. [8] Eliseo Ruiz, santigo Alvarez, Pere Alemany, “Electronic Structure and Properties of AlN”, Physical Review B, 49(1994)7115-7123. [9] 顏 豐 明， “ 高 熱 傳 導 率 氮 化 鋁 基 板 材 料 之 簡 介” ， 材 料 與 社 會 ， 73(1993)45-46.. 77.
(79) [10] D. Bauerle, Laser Processing and Chemistry, 3rd ed., Springer -Verlag Berlin Heidelberg, 2000 [11]丁勝懋, ”雷射工程導論”, 1995, pp.491-499 [12] M. E. Levinshtein, S. L. Rumyantsev and M. S. Shur , “Properties of advanced semiconductor materials”, p.31. [13] F.C. Tompkins, “Chemisorption of Gases on Metals”, Academic Press, New York, 1978. [14] B. Lewis and J.C. Anderson, “Nucleation and Growth of Thin Films”, Academic Press, New York, 1978. [15] M. Prutton, “Surface Physics”, Clavendon Press, Oxford, 1983. [16]A.W. Adamson, “Physical Chemistry of Surfaces”, 4th ed, John Wiley &Sons, New York, 1990. [17] S.Brunauer, “The Adsorption of Gases and Vapors”, Vol.1, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1945 [18] Douglas B. Chrisey and Graham K. Hubler, ”Pulsed Laser Deposition of Thin Films”, 1994 [19] 李正中, “薄膜光學與鍍膜技術”, 1999, p.325. [20] Pulker H. K., ”Coating on Glass”, Chap7 Elsevier Amsterdom, 1984. 78.
(80) [21] G.Binning,C.F.Quate,and C.Gerber,Phys.Rev.Lett.56,930(1986). [22] 行政院國家科學委員會精密儀器發展中心, ”表面分析儀器原子力 顯微鏡”,儀器總覽, 1998, pp.29-31 [23] 吳 孟 奇 、 洪 勝 富 、 連 振 祈 、 龔 正 譯 ”Solid state electronic devices”,pp.302-304,2000. [24]S.M.Sze,. ”semiconductor. devices. physics. and. technology,. ed.”,pp.170-173 [25] Peter Van Zant, ”Microchip Fabrication:a practical guide to semiconductor processing, 4th ed.”, pp.122-138, 2001. [26] C. Y. Chang and S. M. Sze, ”ULSI TECHNOLOGY” , pp.60-104. 79. 2th.
(81)
數據
+5
Outline
相關文件
You are given the wavelength and total energy of a light pulse and asked to find the number of photons it
The short film “My Shoes” has been chosen to illustrate and highlight different areas of cinematography (e.g. the use of music, camera shots, angles and movements, editing
Wang, Solving pseudomonotone variational inequalities and pseudocon- vex optimization problems using the projection neural network, IEEE Transactions on Neural Networks 17
In this paper, we build a new class of neural networks based on the smoothing method for NCP introduced by Haddou and Maheux [18] using some family F of smoothing functions.
The nanostructure with anisotropic transmission characteristics on ITO films induced by fs laser can be used for the alignment layer , polarizer and conducting layer in LCD cell.
Simulation conditions are introduced first and various characteristics in three defect designs, such as single mode laser wavelength shift and laser mode change, are analyzed.
Define instead the imaginary.. potential, magnetic field, lattice…) Dirac-BdG Hamiltonian:. with small, and matrix
incapable to extract any quantities from QCD, nor to tackle the most interesting physics, namely, the spontaneously chiral symmetry breaking and the color confinement..
