利用AlN薄膜材料於MIS結構之製作與特性量測研究
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(3) 利用 AlN 薄膜材料於 MIS 結構之製作 與特性量測研究 指導教授：施明昌 博士 國立高雄大學電機工程學系. 學生：林偉湟 國立高雄大學電機工程學系碩士班. 摘要 氮化鋁(AlN)薄膜由於具有優異的材料特性，具有高能隙(Eg=6.2eV)、高介電 常數(K=8.5) ，被廣泛應用於光電及半導體元件。本論文利用準分子雷射濺鍍技 術於氮化鋁高介電薄膜並應用P-type Si基板之金屬-絕緣層-半導體MIS結構製作 及其光電特性研究。高穿透之氮化鋁薄膜，以及在正向電壓時於空乏區所產生之 電子-電洞對受空乏區電場之作用電子往金屬端流動，電洞則往Si基板流動而產 生明顯之光電流特性。本研究利用I-V、C-V特性量測，分析氮化鋁薄膜厚度， 介電常數，反射-折射特性對光電流之響應，作為發展以Si基板為主之光偵測器 之參考。. 關鍵字：氮化鋁(AlN)、準分子雷射濺鍍(Excimer Laser Sputtering)、 MIS光偵測元件(UV range photo-detector). 2.
(4) The Study of the MIS Device with AlN Thin Film and Its Characterizations Advisors: Dr. Ming-Chang Shih Institute of electrical engineering National University of Kaohsiung. Student: Wei-Huang Lin Institute of electrical engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT The AlN thin film has been applied in high speed and high power advanced micro-electronic and photo-electronic devices with its excellent properties of thermal conductivity, chemical resistance, high band gap and high dielectric constant. In this thesis, we have applied the Excimer Laser Sputtering technique for deposition of AlN thin film on a p-type Si(100) substrate at room temperature, and investigate the characteristics of using AlN thin film on MIS device, which can provide photo detection by generating electron-hole pairs in the depletion region between the interface of AlN and Si substrate. Measurements of the deposition rate as function of laser fluency have been done. I-V, C-V measurement, thin film thickness, dielectric constant and reflection / transmission characteristics, we used to study the effects of photo-responsivity of the MIS device are presented. These results will provide reference for developing the Si-base photo-detection devices in the future.. Keywords : AlN、Excimer Laser Sputtering、UV range photo-detector. 3.
(5) 致謝 在碩士班兩年的學習生涯中，是我人生中極為重要的經歷，獲得 了許多知識與成長，我的成就得力於許多人給我的教導與協助。 本論文得以完成，首先必頇感謝恩師 施明昌教授，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；另外也 要感謝口詴委員 李孟恩教授、藍文厚教授，在論文口詴時，針對相 關重點給予指正與教導，使得本論文可以更加充實完備；另外更要感 謝實驗室的助理意玲小姐、同學尊聖、學弟絜敦、志龍、鎮孙、偉峻、 聖宗，在研究與生活上的關懷與協助，因為有你們使得實驗更加順 利，衷心的謝謝你們。 最後，要感謝這兩年來，父母、家人、同事、朋友與曾經幫助過 我的人所給予的支持與鼓勵，還有高雄牧鄰教會的牧師、弟兄姐妹為 我的代禱，並與你們共享這份榮耀與喜悅，並再次懷著感謝的心，謝 謝，願神祝福老師、意玲小姐還有所有實驗室的學弟平安喜樂。. 4.
(6) 目錄 論文審定書 ...................................................................................... 1 中文摘要 .......................................................................................... 2 英文摘要 .......................................................................................... 3 致謝 .................................................................................................. 4 目錄 .................................................................................................. 5 圖目錄 .............................................................................................. 7 表目錄 .............................................................................................. 11 第一章 序論 .................................................................................... 12 1-1 研究背景 ................................................................................... 12 1-2 氮化鋁結構與材料特性............................................................ 14 第二章 準分子脈衝雷射濺鍍法基本原理 ..................................... 17 2-1 準分子脈衝雷射基本介紹........................................................ 17 2-2 準分子脈衝雷射濺鍍法基本介紹 ............................................ 19 2-3 準分子脈衝雷射表面加熱效應 ................................................ 26 2-4 準分子脈衝雷射濺鍍系統介紹 ................................................ 28 第三章 氮化鋁薄膜 MIS 元件製程介紹 ........................................ 32 3-1 MIS 元件介紹 ........................................................................... 32 3-2 MIS 電壓 – 電容特性 ............................................................. 34. 5.
(7) 3-3 MIS 元件製程介紹 .................................................................... 45 3-3-1 矽晶片切割及清洗 ................................................................ 45 3-3-2 Al/Si 合金接觸電極製作 ........................................................ 47 3-3-3 歐姆接觸製作 ........................................................................ 49 3-3-4 AlN 薄膜沉積 ......................................................................... 50 第四章 氮化鋁薄膜特性檢測與 MIS 元件光電特性量測分析 ..... 53 4-1 電壓 – 電容特性量測 ............................................................. 53 4-2 光照射之下電壓 – 電流特性量測 .......................................... 57 4-3 光響應度量測 ........................................................................... 64 第五章 MIS 元件手指電極製程介紹及光電特性量測分析 ......... 68 5-1 MIS 元件手指電極製程介紹 ..................................................... 68 5-2 MIS 元件手指電極光電特性量測分析 ..................................... 72 第六章 結論與未來展望 ................................................................. 76 參考文獻 .......................................................................................... 77. 6.
(8) 圖目錄 圖 1-1 氮化鋁的結晶構造 .............................................................. 16 圖 2-1 粒子撞擊固體表面之效應 ................................................... 23 圖 2-2 動量之轉移 .......................................................................... 25 圖 2-3 雷射能量與溫度關係圖....................................................... 28 圖 2-4 脈衝雷射濺鍍系統 .............................................................. 31 圖 2-5 脈衝雷射濺鍍系統實體架構圖 ........................................... 31 圖 3-1 MIS 元件結構示意圖 ........................................................... 33 圖 3-2 基本 AlN 薄膜 MIS 結構示意圖 ........................................ 33 圖 3-3 理想電容電壓曲線 .............................................................. 34 圖 3-4 理想 MIS 的能帶圖 ............................................................. 35 圖 3-5 實際 MIS 的能帶變化 ......................................................... 35 圖 3-6 累增區下的載子分佈........................................................... 36 圖 3-7 累增區下的能帶圖與電荷分佈 ........................................... 37 圖 3-8 空乏區下的載子分佈........................................................... 38 圖 3-9 空乏區下的能帶圖 .............................................................. 38 圖 3-10 反轉區下的載子分佈......................................................... 39 圖 3-11 反轉區下的能帶圖.............................................................. 39 圖 3-12 MIS 結構不加電壓下（V = 0）之能帶圖（熱平衡時） .. 41. 7.
(9) 圖 3-13 施加一負向偏壓於金屬端，並使能帶向上彎曲 ............... 42 圖 3-14 施加一正向偏壓於金屬端，並使能帶向下彎曲 ............... 43 圖 3-15 電子束濺鍍系統示意圖...................................................... 48 圖 3-16 快速退火時間－溫度關係圖 .............................................. 49 圖 3-17 鋁－矽歐姆接觸 I-V 圖 ..................................................... 50 圖3-18準分子雷射濺鍍，時間對能量的變化 ................................ 52 圖3-19準分子雷射濺鍍AlN的沉積速率 ......................................... 52 圖 4-1 MIS 元件結構 ...................................................................... 53 圖 4-2 AlN 膜厚 98Å 電壓對電容的變化 ....................................... 55 圖 4-3 AlN 膜厚 964Å 電壓對電容的變化 ..................................... 55 圖 4-4 AlN 膜厚 1256Å 電壓對電容的變化 ................................... 56 圖 4-5 AlN 膜厚對介電常數 K 的變化 .......................................... 56 圖 4-6 AlN 膜厚 98Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化 ..... 58 圖 4-7 AlN 膜厚 964Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化 ... 59 圖 4-8 AlN 膜厚 1256Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化 . 59 圖 4-9 AlN 膜厚 98Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化 ......... 60 圖 4-10 AlN 膜厚 964Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化 ..... 60 圖 4-11 AlN 膜厚 1256Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化 ... 61 圖 4-12 AlN 膜厚 964 Å anneal 600℃、5 分鐘後，在不同波長的光下，. 8.
(10) 電壓對電流的變化 .......................................................................... 61 圖 4-13 AlN 膜厚 1256 Å anneal 600℃、5 分鐘後，在不同波長的光下， 電壓對電流的變化 .......................................................................... 62 圖4-14 AlN膜厚964 Å anneal 600℃、5分鐘後，不同電壓下，光波長 對電流的變化 .................................................................................. 62 圖4-15 AlN膜厚1256 Å anneal 600℃、5分鐘後，不同電壓下，光波長 對電流的變化 .................................................................................. 63 圖4-16 AlN膜厚964Å 在波長600nm的光下，比較有無anneal電壓對 電流的變化 ...................................................................................... 63 圖4-17 AlN膜厚1256Å 在波長600nm的光下，比較有無anneal電壓對 電流的變化 ...................................................................................... 64 圖4-18鹵素光纖光源(150W)利用 LASER Check 量測出之光波長對 能量的變化 ...................................................................................... 65 圖 4-19 AlN 膜厚 98Å 在不同電壓下光波長對光響應度的變化 .. 65 圖 4-20 AlN 膜厚 964Å 在不同電壓下波長對光響應度的變化 .... 66 圖 4-21 AlN 膜厚 1256Å 在不同電壓下波長對光響應度的變化 .. 66 圖 4-22 電壓固定 6V，不同 AlN 厚度，波長對光響應度的變化 67 圖4-23 電壓固定6V，光波長固定700nm，AlN厚度對光響應度的變化 .......................................................................................................... 67. 9.
(11) 圖5-1 MIS元件手指電極製程流程圖 .............................................. 71 圖 5-2 手指電極 SEM ..................................................................... 72 圖5-3 AlN及AlN上Al/Si 金屬層，手指電極 SEM ....................... 73 圖 5-4 手指電極 AlN 膜厚 986 Å ，電壓對電容的變化 ................ 73 圖5-5 手指電極AlN膜厚986 Å ，在不同波長的光下，電壓對電流的變 化...................................................................................................... 74 圖5-6手指電極AlN膜厚986 Å ，在不同電壓下，光波長對電流的變化 .......................................................................................................... 74 圖5-7 手指電極AlN膜厚986 Å，在不同電壓下光波長對光響應度的變 化...................................................................................................... 75. 10.
(12) 表目錄 表 1-1 薄膜製作技術優劣比較....................................................... 14 表 1-2 氮化鋁之物理、化學特性 ................................................... 16 表 2-1 常用之 Excimer Laser 種類 ............................................... 19 表 2-2 準分子雷射規格 .................................................................. 30 表 3- 1 為實驗的固定條件及參數 .................................................. 48 表 4-1 電壓–電流特性量測實驗參數設定值 .................................. 51 表 4-2 不同 AlN 薄膜厚度的累增區電容值及介電常數 ............... 53 表 4-3 電壓–電流特性量測實驗參數 .............................................. 55. 11.
(13) 第一章 序論 1-1 研究背景 科技日新月異，隨著技術的進步及時代的進展，為了要滿足人們 生活的便利需求以及降低生產成本，電子產品朝輕、薄、短、小發展， 因而進入了奈米世代。在半導體晶片上的元件數目不斷增加來延伸莫 爾定律的預測榮景，然而隨著電晶體元件尺寸縮小，閘極氧化層也要 相對變薄。 二氧化矽與矽基板的高穩定性與相容性，一直是矽晶元件的特 點，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，以同時兼顧閘極絕緣層實際厚度與 電性等效厚度便成為眾所矚目之課題。 一般高介電值材料在元件應用上，可分為兩大類：其一，因為目 前二氧化矽材料作為閘極氧化層之元件已達材料厚度特性極限，需要 開發新材料來提升元件縮小化所面臨的難題；其二為因高介電材料可 應用於高密度電容的製程，提供元件縮小化的可行性，亦成為本研究. 12.
(14) 中的高介電薄膜材料之題材[1]。 介電陶瓷材料之種類眾多，皆屬於高穩定度的氧化物，必頇利用 各種特殊的物理方式予以蒸發或氣化成原子狀態，因為以一般加熱方 法不容易予以蒸發或氣化成原子狀態。一般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)、脈衝雷射濺 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。無線電頻率濺鍍法容易造成不純物及缺陷，而脈衝雷射能 在低溫下濺鍍並具有多樣靶材選擇優點，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，但因沈積溫度高達 900℃，這將使基板材料受到限制。如表1-1為目前常用鍍膜技術優劣 比較：. 13.
(15) 脈衝雷射濺鍍 (Pulse Laser Deposition) 磁控濺鍍 (Magnetron Sputtering Deposition) 離子束濺鍍 (Ion Sputtering Deposition) 反應性電子束 蒸鍍(Reactive Electon 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). 磊晶 成長. 可沉積 薄膜. 高沈積 速率. V. V. V. 大面積. V. V. V. V. V. V. 低製成 本. 材料變 換性. V. V. V. V. V. V. V. V. V. 低基板 溫度. V. V. V. V. V. V. V. 表1-1 薄膜製作技術優劣比較[2]. 1-2氮化鋁結構與材料特性 氮化物具有堅固的機械性質、熱穩定性、其中氮化鋁(Aluminum Nitrogen, AlN)是所有材料當中具有良好的電絕緣性及熱傳導性的少 數材料之一，其高介電係數(K=8.5)、寬能隙(Eg=6.2eV)已被視為新一 代的電子材料，為現今氮化物半導體元件製程重要研究課題。 氮化鋁是一種高能隙(Eg=6.2eV)半導體材料，氮原子和鋁原子之 間主要以共價鍵結合，屬於六方晶系纖鋅礦(Wurtzute)結構，如圖1-2 所示。晶格常數a=3.110Å ，c=4.980 Å 。除了<001>方向的Al-N鍵較長 14.
(16) 外，其它三個Al-N鍵長相等[3]。 氮與鋁原子間鍵結力極強，具高化學穩定性及熱傳導率、高能隙 （約6.2eV）、機械強度高、絕緣性佳、熔點高、熱傳導性佳，熱膨 脹係數與矽半導體元件相匹配[4-11]；且是少數具有高熱傳導的非金 屬材料，能應用於半導體上作絕緣層材料使用，也是積體電路封裝的 最佳材料。高純度的AlN形貌為堅硬、透明無色的晶體，但若包含氧 或其它雜質元素存在，則將會降低透光性和熱導率。表1-2所示為氮 化鋁之物理、化學特性[12-15]。 本研究利用脈衝雷射沈積法(Pulse Laser Deposition, PLD)於氮化 鋁薄膜並利用電容－電壓(C-V)、電流－電壓(I-V)電性量測的結果分 析，討論脈衝雷射對AlN薄膜材料的濺鍍相關問題。. 15.
(17) (a). (b). 圖1-1 氮化鋁的結晶構造：(a)變形四面體結構 (b)單位晶胞 分子量 密度 晶格參數 結晶構造 熱分解溫度 比熱(Cp) 熔點 線膨脹係數 25~200℃ 熱傳導率 300K 電阻率 300K 能帶寬 靜電介電率 介電率 光學介電率 2500Å 折射率 5000Å 維氏硬度 超傳導轉移溫度 楊氏模數 抗折強度 波松比(Poisson ratio). 40.988 3.26 g/cm3 a=3.111Å ，c=4.980Å 六方晶系，Wurtzite 2790K 7.2 cal/mol-K (@300K) 3300K 4.5×10-6/℃ 270 W/m-K 約 1013Ω-cm 6.2eV ε0=9.14 ε00=4.84 ne=2.504 , n0=2.408 ne=2.222 , n0=2.172 1050 Kg/mm2 1.55K 340GPa 300~450MPa 0.25. 表1-2 氮化鋁之物理、化學特性[12-15] 16.
(18) 第二章 準分子脈衝雷射濺鍍法基本原理 2-1 準分子脈衝雷射基本介紹 雷 射 (Light Amplification by Simulated Emission of Radiation, LASER)，具有單色性及指向性良好的光源，廣泛用於各種加工，不 論是通訊、娛樂、精密量測、武器、半導體製程、醫療、資料儲存都 扮演舉足輕重的角色；準分子雷射全名為電子激發分子之氣體雷射 （Electronically Excited Molecular Gas Laser, Excimer），於1970年代 德國科學家所發展出來的高功率深紫外光雷射（UV laser），準分子 （Excimer）英文是由受激發的雙原子氣體(excited dimer)英文的前後 所組成。準分子雷射具有一般雷射的特性，如：短波長、高純色性、 高功率密度、高平行度，因此其發散角度小。應用範圍廣泛，如表面 處理，包括退火(annealing)、表面清洗(clean)、摻雜(doping)、蝕刻 (etching)、物理氣相沈積(PVD)，以及半導體製程中深次微米微影 (subminiature photolithography)、鑽孔(drilling)與標記(marking)、剝線 (stripping of thin wire)等。 產生準分子雷射的原理為化學性質較活潑的鹵素氣體（halogen gas，如F、Cl、Br等）在共振腔體中混合惰性氣體（inert gas，如He、 Ne、Ar、Kr等）於基態時（ground state）並不會發生化學反應，若 加入電壓藉由電極對氣體做高壓放電，氣體分子被離子化，使其外圍. 17.
(19) 電子由基態躍升至激發態（excited state），會結合成為極不穩定的準 分子，在此狀態下，結合的分子常在極短的時間內解離，並以產生深 紫外光（Deep UV Light）之方式釋放能量。 一般較常用之準分子雷射種類如表2-1 所示。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，並應用雷射濺鍍 於MIS元件之製作[16-19]。 由公式(2-1)可知，在固定光速下，波長和能量成反比，波長越短 能量越強，波長越長能量越弱。 E = hv = h c/λ. (2-1). E：光子能量(J) h：蒲朗克常數(6.625×10-34Js) v：頻率(1/s) c：光速(m/s) λ：波長(m) 1eV = 1.6×10-19J. 18.
(20) F2. ArF. KrCl. KrF. XeCl. XeF. 157. 193. 222. 248. 308. 351/353. 0.06. 0.8. 0.2. 1.5. 2. 0.7. 3. 30. 10. 50. 50. 30. 3. 60. 10. 150. 200. 70. 波長 (nm) 脈衝能量 (J) 尖峰能量 (MW) 平均能量 (W) 脈衝時間 10~30 (ns) 光速發散角 2~10 (mrad) 表2-1 常用之 Excimer Laser 種類. 2-2 準分子脈衝雷射濺鍍法基本介紹 準分子脈衝雷射濺鍍(Excimer Laser Sputtering) 製程是最近發展 成熟的薄膜材料製程技術。準分子脈衝雷射濺鍍是把聚焦的高能量雷 射光照射在濺鍍源上，使其瞬間受高熱氣化而噴出 plume，並在適當 位置放至基板將可使氣化的物質附著於其上而行成薄膜。. 19.
(21) 準分子脈衝雷射濺鍍具有相當多的特點： 1. 脈衝時間極短(25ns以下)、能量極高(可達5J/cm2以上)，能適用於 多種靶材(target)，容易得到不同材料的薄膜。 2. 脈衝雷射濺鍍只要控制幾個製程參數，例如：雷射能量與脈衝頻 率，甚至能以脈衝數精準控制薄膜厚度。 3. 另外其製程中不會產生其他引起材料的污染物質，以及濺鍍基板 所需的溫度低，可應用於許多不同材料基板。 4. 尤其是準分子雷射不論靶材組成元素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 達到熱平衡，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。 5. 脈衝雷射濺鍍技術運用在複合材料薄膜特別有效。 6. 由雷射蒸發出來的氣體分子吸收紫外光雷射的能量具有相當高的 動能，可增加這些分子與周圍氣體分子間的化學反應，不但可促 進薄膜的成長更能降低基板成長溫度，使成長出來薄膜有良好的 磊晶品質。 然而，雷射濺鍍實際應用於工業薄膜濺鍍上仍有一些困難頇克. 20.
(22) 服，若能克服下述一些缺點，準分子脈衝雷射濺鍍在薄膜技術上將更 具有廣泛的應用： 1. 受限於雷射光束聚焦面積小，無法達到大面積的薄膜，雖然可利 用基板移動或雷射來回掃瞄來提升大面積薄膜，但改善畢竟是有 限的，而且會使濺鍍速率下降。 2. 在脈衝雷射濺鍍中未氣化且熔融之物質會形成液珠(drop)，將會落 在鍍膜表面凝結成顆粒狀，影響薄膜之表面粗糙度；通常，可以 利用表面加熱或利用短波長雷射可避免微粒(particle)的產生。 3. 系統需要精確聚焦及適當的透明光窗玻璃。 4. 波長必頇能被蒸發材料有效吸收，能轉換率低。 採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，使表層物質瞬間快速 以極微細的粒子型態剝離，可以維持其成分不便，因此常被用來批復 成分複雜的化合物，鍍膜的品質甚佳。它和電子束加熱或濺射的過程 有基本上的差異，準分子雷射脫離的是微細的顆粒，電子束加熱則是 以分子形式脫離。依光子能量的差異，準分子雷射XeCl及XeF用以剝. 21.
(23) 離有機聚合物，KrF用以剝離玻璃、陶瓷及金屬，ArF用以剝離高等 級的陶瓷及鑽石等，而F2則用以剝離特殊高溫材料。另一種用途就是 微蝕刻，稱為類LIGA，在微機電製程為一極佳的工具，可以穿鑚高 深寬比的小孔，直徑小於數百微米。 在脈衝雷射濺鍍系統的原理方面關係到材料表面與高能量光子脈 衝的相互作用，整個過程可分為以下四個階段： 1. 靶材固態分子與光輻射撞擊之作用。 2. 氣態分子射出往基板之動力學。 3. 氣態分子在基板表面之吸附作用。 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，由於受到高能量密度雷射光束的聚焦照射在靶材表 面上，使靶材表面分子瞬間加熱至蒸發溫度而產生氣化，因為在非熱 平衡狀態下，以致其所氣化之分子組成成份與靶材一致。當一固態物 體受到具能量力子撞擊(Particle bombardment)時，其所受的效應視粒 子動能的大小而定，大致可分成如下的幾個層次： 1. 動能小於5eV，產生的效應只限於最外層表面。撞擊粒子可能和物 體達到熱平衡並被吸附，也可能被反彈出去，當然也可能具有足 夠的能量，把已經物理吸附在其表面的分子打散。 2. 當動能超過晶格原子的結合能(Bindind energy 約 2~10eV)時，會. 22.
(24) 發生表面的遷移或表面的破壞。 3. 動能超過四倍昇華能時，靶材表面原子開始被撞出主體而進入氣 相，此種現象及稱之為物理濺射，所需的最低能量即為其底線能 (Threshold energy)。一般濺射只達肌膚之深，不會超過五個原子 層，濺射後多餘的能量大多經由晶格的震盪轉換成熱能而消失。 4. 當動能超過10KeV時，此能量足以激發原子的內層電子，當其回 到基態時即輻射出X光。撞擊的粒子會深入靶物，晶格的破壞在所 難免。 5. 超高的能量則會更深入原子核，這已進入核子反應的領域了。 除了上述這些現象之外，有些分子會被反射，同時也會產生一些 離子及二次電子，實際可能發生的情形如圖2-1所示。 撞擊離子 ＋. 反射離子 ＋. 二次電子 －. 靶材表面 晶格破壞. 植入離子 晶格破壞. 圖2-1 粒子撞擊固體表面之效應. 23. 濺射源子.
(25) 當高速粒子撞擊固體表面時，可能發生的現象包括：從表面釋放 出中性原子或分子、二次電子(Secondary electrons)的發射、二次離子 (Secondary ions)的發射、入射離子的反射(Reflection)，以及被濺射離 子返回而轟擊表面產生的散射粒子(Back scattering) ，如圖2-1所示。 除了這些具質量的粒子外，光子(Photon)和X光的輻射也經常產生。 還 有 靶 材 被 離 子 轟 擊 後 會 產 生 化 學 分 解 或 反 應 、 體 擴 散 (Bulk diffusion)、晶格破壞、氣體的去吸附(Desorption)與分解(Dissociation) 等，多餘的能量會轉換成為熱能。 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，電漿體溫度的分佈將影響濺鍍薄膜厚度 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。如圖2-2所示，為易於了 解問題，在此僅討論垂直的撞擊，假設一個質量m的粒子以速度v撞 擊靜止中的靶物，靶物的質量為M，初速度V=0；撞擊後粒子的速度 為v’，靶物的速度為V’。由物體相撞的動能轉移公式，可得如下結果： v’=[(m-M)/(m+M)]v. (2-2). V’=[2m/(m+M)]v. (2-3). 由撞擊前後粒子和靶物動能的變化可推算出動能的轉移比率為： β=4mM/(m+M)2. (2-4). 由式(2-4)可知撞擊粒子的質量越大，能量轉移的比例越多，也就 24.
(26) 是濺射的效率越好，因此濺射使用的氣體分子量不宜太小。. 撞擊離子 m v. 靶材. v’ Ｍ Ｖ’. Ｖ＝０ 靶材. 靶材. 圖2-2 動量之轉移 第三階段是決定薄膜品質的關鍵，具有高動能的分子與基板表面 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。 最後階段是薄膜的晶粒(Grain)生成，它經歷了成核及成長兩個階 段，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， 必頇再經過晶粒聚集、隧道填補，最後才形成連續薄膜[20]。 25.
(27) 2-3 準分子脈衝雷射表面加熱效應 在一般情況下，光瞬間照射與離開材料某一體積的熱量是不相等 的，根據能量孚衡定律，這將改變該體積的內部能量，使材料氣化蒸 發。並依據三維熱傳導方程式[21]。 ∇ 2 T( x, y, z, t ). 1 ∂T( x, y, z, t ) = K ∂t. A( x, y, z, t ) k. (2-5). 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) 點再時間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 )e. z. (2-6). 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 =. 4B. (2-7). . 其中B為材料吸收指數(absorption index)，λ為光波長；當在短波長 (248nm)時吸收係數可視為極大，由(2-6)式可知 e. z. =0，則A(x,y,z,t)=0。. 上述的熱導方程(2-5)式可簡化為 ∇ 2 T( x, y, z, t ). 1 ∂T( x, y, z, t ) =0 K ∂t. (2-8). 由簡化熱導方程(2-8)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 26.
(28) 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(2-8)式，熱傳導方程： ∇ 2 T ( z, t ). 1 ∂T(z, t ) =0 K ∂t. (2-9). 根據(2-9)式可求出一方程解：. 2I T ( z, t ) 0 k. 1 z2 ) 2 ( K t z z 4k t erfC e 2 4K t . 其中 erf (s) . 2. s. e . x2. (2-10). dx. (2-11). 而 e r f C = 1－e r f (s). (2-12). 0. 而材料表面溫度設 z=0，則 1. 2I K t 2 T (0, t ) 0 k . (2-13). 其中氮化鋁物質參數[22] 熱擴散率 K(T)=. k (T ) (cm2/s) C p (T ). (2-14). 熱傳導率 k(T)=(. 239 ) (W/cm-K) T1.1. (2-15). 比熱 Cp(T)=1.60+4.40×10-4T (J/cm3-K). 27. (2-16).
(29) 氮化鋁(AlN)受到雷射照射表面溫度瞬間加熱，我們可由(2-13) 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。. 圖 2-3 雷射能量與溫度關係圖. 2-4 準分子脈衝雷射濺鍍系統介紹 以準分子雷射 ( LAMBDA PHYSIK LPX200i ) 規格如表 2-2 所 組成的，脈衝雷射濺鍍系統，系統如圖 2-10 所示。 他以脈衝式的雷射光源且具有較高的雷射能量，能在短時間裡將 材料表面完全氣化；真空系統是利用機械幫浦 ( Mechanical Pump ) 粗抽再搭配擴散式幫浦 ( Diffusion Pump，ULVAC VPC-050 ) 細抽使 腔體達到背景真空壓力為 2×10-5Torr；在光路設計方面，雷射光先透 28.
(30) 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，然後在分別經過兩面 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，在靶材座上面裝設一旋轉馬達(轉速 100 rpm)以致靶材不容易被打穿，靶材與基板距離約為 4cm；另外在樣品 座上，溫度能控制在 10K~300K。 因雷射源設於真空腔體外，可減少熱源置於真空腔內的麻煩與缺 點，所以脈衝雷射濺鍍系統在機構設計上，相較於其他的鍍膜方式顯 得較為簡單，亦可將濺鍍材料擴大到較複雜的化合物。另外更可視需 要加裝如：反射式高能電子繞射儀 ( RHEED )、離子束槍等裝置，來 進一步提昇系統之實用性。 本研究主要探討波長248nm準分子脈衝雷射濺鍍於AlN薄膜的製 程應用，主要是透過聚焦的光路，利用紫外光高能量光子將真空腔體 內的材料氣化或原子間的鍵結打斷，沈積薄膜至所要的基板上。. 29.
(31) 雷射型號 ( Type of Laser ). LPX 200i Series. 波長 ( Wavelength ). 248nm ( KrF ). 最大脈衝頻率 ( Max.Rep. Rate ). 100Hz. 脈衝能量 ( Pulse Energy ). 700mJ. 光束大小 ( Beam Dimensions ). 5-12×23 mm2 (V×H). 光束發散度 ( Beam Divergence ). 1×3 mrad(V×H). 平均功率 ( Average Power ). 65W. 脈衝持續時間 ( Pulse Duration ). 25ns. 表 2-2 準分子雷射規格. 30.
(32) 圖 2-4 脈衝雷射濺鍍系統. 圖 2-5 脈衝雷射濺鍍系統實體架構圖. 31.
(33) 第三章 氮化鋁薄膜 MIS 元件製程介紹 3-1 MIS元件介紹 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。. 32.
(34) 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. 33.
(35) 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。 34.
(36) 圖3-4 理想MIS的能帶圖. 圖3-5 實際MIS的能帶變化. 35.
(37) 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. 36.
(38) 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]。. 37.
(39) 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 38.
(40) 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 39.
(41) 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。. K Cmax. d 0 A. (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。 40.
(42) 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）。. 41.
(43) 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。. 42.
(44) 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：. 43.
(45) 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. 44.
(46) 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. 45.
(47) 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 SO4 : H2 O. 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: 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[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. 46.
(48) 水中置於超音波震盪機裡震盪 3分鐘。 (9) 將晶片浸入: HCl : H2O2 : H2O = 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 錠，使其達到熔點並達到濺鍍效果，並控制膜厚在 3000Å 作為薄膜 接觸之電極。實驗程序如下：. 47.
(49) (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，鋁材料濺鍍之參數，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) 等待鋁金屬靶處於完全融化狀態，先啟動膜厚速率儀，再移去擋 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當擋板及慢慢降低電流，待真空室溫 度降為室溫時，便可取出晶片即完成電極製作。. 圖3-15 電子束濺鍍系統示意圖. 48.
(50) 3-3-3 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，本研究以石英爐管快速退 火，時間－溫度關係圖3-16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3-17 所示，以達到最佳歐姆接觸條件。. 圖3-16 快速退火時間－溫度關係圖. 49.
(51) No annealing Annealing. 0.015. 0.010. Current (A). 0.005. 0.000. -0.005. -0.010. -0.015 -10. -8. -6. -4. -2. 0. 2. 4. 6. 8. 10. Voltage (V). 圖3-17 鋁－矽歐姆接觸I-V 圖. 3-3-4 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3×10-4 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 材，靶材與基板的距離為 5公分。 實驗程序參數如下： 50.
(52) 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.啟動準分子雷射(Excimer Laser)，進行燒機 60分鐘，以達到穩定狀 態，再進行薄膜成長，如圖3-18。 4.透過圖3-19 AlN 的沉積速率，控制雷射濺鍍的時間來得到我們想要 的薄膜厚度。 5.沈積完成後，待真空室溫度降為室溫時，便可取出晶片。. 基板. Si. 靶材. AlN. 基板與靶材距離. 5cm. 雷射頻率. 3Hz. 真空壓力. < 3x10-4 torr. 基板溫度. 室溫 ~300K. 準分子雷射 Power. 16.1kV ~ 24kV. 表3- 1 為實驗的固定條件及參數. 51.
(53) 1.18. PLD Time - Power. 1.16 1.14. Vp-p (V). 1.12 1.10 1.08 1.06 1.04 1.02 0. 30. 60. 90. 120. Time (min). 圖3-18準分子雷射濺鍍，時間對能量的變化. 160. Laser Power 0.9V 1V. Thickness (nm). 140 120 100 80 60 40 20 0 10. 15. 20 Time (min). 25. 30. 圖3-19準分子雷射濺鍍AlN的沉積速率. 52.
(54) 第四章 氮化鋁 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/Si)/介電層(AlN)/半導體( p-type Si )，結構如圖4-1。. 圖4-1 MIS 元件結構 4-1 電壓–電容特性量測 MIS 元件的金屬層以及半導體層，其實就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，並可藉由簡單電壓–電 容特性量測來檢驗 MIS 元件之電氣特性。本研究在 P 型矽基板 上 ， 以 準 分 子 雷 射 濺 鍍 氮 化 鋁 薄 膜 並 利 用 Agilent Technologies HP4284A Precision LCR Meter, 20Hz to 1 MHz 量測樣品在高頻 1MHz 的電壓–電容值，實驗參數如表4-1，並透過高頻 C-V 曲線在 累增區的電容值，求出介電常數 K 的大小。在求取介電常數時，頇 特別注意介電層AlN厚度的準確性，本研究是利用Alpha Stepper來量. 53.
(55) 測薄膜厚度。 本研究探討AlN 在不同厚度下，觀察其介電常數的表現，評估此 材料在 MIS 結構中做為絕緣層的可行性與適用性。圖4-2、4-3、4-4 分別為 AlN 98Å 、964Å 、及1256Å 三種不同厚度下，所得到的高頻 電容曲線，經過計算其介電常數分別為 7.9、7.5、7.1。從表4-2、圖 4-5中發現在厚度較薄的情形下，累增區電容值較大，厚度較厚的情 形下，其介電常數有不錯的表現，與參考文獻中所提出來的介電常數 相當接近，但隨著AlN薄膜厚度減少，介電常數亦隨之下降。. 基板. P-type Si. 雷射能量(V/cm2). 0.9. AlN 膜厚(Å ). 98/964/1256. Step Voltage(V). 0.1. Level(V). 0.05. Frequency(Hz). 1M. 表4-1電壓–電容特性量測實驗參數. 54.
(56) 3.50E-010. Capacitance (F). 3.00E-010 2.50E-010. AlN thin film 9.8nm Frequency 1MHz. 2.00E-010 1.50E-010 1.00E-010 5.00E-011 0.00E+000 -5.00E-011 -10. -5. 0 Voltage (V). 5. 10. 圖4-2 AlN膜厚98Å 電壓對電容的變化. 3.50E-011. Capacitance (F). 3.00E-011 AlN thin film 96.4nm Frequency 1MHz. 2.50E-011 2.00E-011 1.50E-011 1.00E-011 5.00E-012 0.00E+000 -10. -5. 0 Voltage (V). 5. 10. 圖4-3 AlN膜厚964 Å 電壓對電容的變化. 55.
(57) 3.00E-011 AlN thin film 125.6nm Frequency 1MHz. Capacitance (F). 2.50E-011 2.00E-011 1.50E-011 1.00E-011 5.00E-012 -10. -5. 0 Voltage (V). 5. 10. 圖4-4 AlN膜厚1256 Å 電壓對電容的變化. Dielectric Constant , K. 8.0. 7.8. 7.6. 7.4. 7.2. 7.0 0. 20. 40 60 80 100 120 AlN Thin Film Thickness (nm). 140. 圖4-5 AlN膜厚對介電常數K 的變化. AlN 膜厚(Å ). 98. 964. 1256. 累增區電容值(F). 3.14x10-10. 3.4x10-11. 2.75x10-11. 介電常數K. 7.1. 7.5. 7.9. 表4-2 不同AlN薄膜厚度的累增區電容值及介電常數 56.
(58) 4-2 光照射之下電壓–電流特性量測 在 P 型矽基板上，針對不同厚度的AlN 薄膜製作成 MIS 元 件，實驗參數如表4-3，利用 HP-4145B 量測系統，量測在不同波長 的光下電壓對電流關係的變化，圖4-6、4-7、4-8。發現在負偏壓越來 越大之情況下，隨著電場ε越大光電流亦有越來越大之情況且AlN絕緣 層的MIS元件會對不同波長的光有不同折射率的吸收而產生不同強 度的光電流，特別對在波長600nm的光照射下有最強的光電流，圖 4-9、4-10、4-11所示。 本研究還將AlN和Si 接面先進行 anneal 600℃、5分鐘製程再鍍上 金屬層，之後量測其在不同波長的光下電壓對電流關係的變化，圖 4-12、4-13所示。發現在負偏壓越來越大之情況下，隨著電場ε越大光 電流的值較為穩定且AlN絕緣層的MIS元件會對不同波長的光有不同 折射率的吸收而產生不同強度的光電流，特別對在波長600nm的光照 射下有最強的光電流，圖4-14、4-15所示。另外， AlN 薄膜和 Si 基 板接面沒有 anneal ，照光所產生光電流的強度會較強，圖4-16、4-17。. 57.
(59) 基板. p type Si. 雷射能量(V/cm2). 0.9. AlN 膜厚(Å ). 98/964/1256. Voltage(V). 0~10. Step(V). 0.25. Light Wavelength(nm). 400~850. 表4-3. 電壓–電流特性量測實驗參數. -5. 4.0x10. Light Wavelength(nm) No Light 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850. -5. 3.5x10. -5. 3.0x10. -5. Current(A). 2.5x10. -5. 2.0x10. -5. 1.5x10. -5. 1.0x10. -6. 5.0x10. 0.0 -6. -5.0x10. 0. 2. 4. 6. 8. 10. Voltage(V). 圖4-6 AlN膜厚98 Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化. 58.
(60) Light Wavelength(nm) No Light 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850. -5. 1.4x10. -5. 1.2x10. -5. Current(A). 1.0x10. -6. 8.0x10. -6. 6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 -6. -2.0x10. 0. 2. 4 6 Voltage(V). 8. 10. 圖4-7 AlN膜厚964 Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化. -6. 6.0x10. Light Wavelength(nm) No Light 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850. -6. 5.0x10. Current(A). -6. 4.0x10. -6. 3.0x10. -6. 2.0x10. -6. 1.0x10. 0.0 0. 2. 4 6 Voltage(V). 8. 10. 圖4-8 AlN膜厚1256 Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化. 59.
(61) Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. Current (A). -5. 3.2x10 -5 3.0x10 -5 2.8x10 -5 2.6x10 -5 2.4x10 -5 2.2x10 -5 2.0x10 -5 1.8x10 -5 1.6x10 -5 1.4x10 -5 1.2x10 -5 1.0x10 -6 8.0x10 -6 6.0x10 -6 4.0x10 -6 2.0x10 0.0 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-9 AlN膜厚98Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化. Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. Current (A). -5. 1.0x10-6 9.5x10-6 9.0x10-6 8.5x10-6 8.0x10-6 7.5x10-6 7.0x10-6 6.5x10-6 6.0x10-6 5.5x10-6 5.0x10-6 4.5x10-6 4.0x10-6 3.5x10-6 3.0x10-6 2.5x10-6 2.0x10-6 1.5x10-6 1.0x10-7 5.0x10 0.0 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-10 AlN膜厚964Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化. 60.
(62) Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. -6. 5.0x10. -6. 4.5x10. -6. Current (A). 4.0x10. -6. 3.5x10. -6. 3.0x10. -6. 2.5x10. -6. 2.0x10. -6. 1.5x10. -6. 1.0x10. -7. 5.0x10. 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-11 AlN膜厚1256Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化. -6. 2.2x10. Light Wavelength No Light 400nm 450nm 500nm 550nm 600nm 650nm 700nm 750nm 800nm 850nm. -6. 2.0x10. -6. 1.8x10. -6. 1.6x10. -6. Current(A). 1.4x10. -6. 1.2x10. -6. 1.0x10. -7. 8.0x10. -7. 6.0x10. -7. 4.0x10. -7. 2.0x10 0.0. -7. -2.0x10. 0. 2. 4. 6. 8. 10. Voltage(V). 圖4-12 AlN膜厚964 Å anneal 600℃、5分鐘後，在不同波長的光下， 電壓對電流的變化. 61.
(63) -6. 2.5x10. Light Wavelength No Light 400nm 450nm 500nm 550nm 600nm 650nm 700nm 750nm 800nm 850nm. -6. Current(A). 2.0x10. -6. 1.5x10. -6. 1.0x10. -7. 5.0x10. 0.0 0. 2. 4. 6. 8. 10. Voltage(V). 圖4-13 AlN膜厚1256 Å anneal 600℃、5分鐘後，在不同波長的光下， 電壓對電流的變化. Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. -6. 2.0x10. -6. Current (A). 1.5x10. -6. 1.0x10. -7. 5.0x10. 0.0 400. 500. 600. 700. 800. 900. Wavelength (nm). 圖4-14 AlN膜厚964 Å anneal 600℃、5分鐘後，不同電壓下，光波長 對電流的變化. 62.
(64) Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. -6. 2.5x10. -6. Current (A). 2.0x10. -6. 1.5x10. -6. 1.0x10. -7. 5.0x10. 0.0 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-15 AlN膜厚1256 Å anneal 600℃、5分鐘後，不同電壓下，光波長 對電流的變化. AlN thin film 96.4nm Wavelength 600nm No anneal Anneal. -5. 1.2x10. -5. Current(A). 1.0x10. -6. 8.0x10. -6. 6.0x10. -6. 4.0x10. -6. 2.0x10. 0.0 0. 2. 4 6 Voltage(V). 8. 10. 圖4-16 AlN膜厚964Å 在波長600nm的光下，比較有無anneal電壓對電 流的變化. 63.
(65) AlN thin film 125.6nm Wavelength 600nm No anneal Anneal. -6. 5.0x10. -6. Current(A). 4.0x10. -6. 3.0x10. -6. 2.0x10. -6. 1.0x10. 0.0 0. 2. 4 6 Voltage(V). 8. 10. 圖4-17 AlN膜厚1256Å 在波長600nm的光下，比較有無anneal電壓對電 流的變化. 4-3 光響應度量測 本研究利用穩定的鹵素光纖光源(150W)並透過光譜儀且利用已 校正之LASER Check 量測其光波長對能量的變化，圖4-18。本研究 量測 MIS 元件在不同氮化鋁厚度的光響應度，圖4-19、4-20、4-21， 可以發現在波長700nm時的光響應度最佳，在波長400nm時也有不錯 的光響應度，而當波長到850nm時，光響應度降的很低。隨著電場ε 越大其光響應度也會越好，厚度越薄其光響應度越好，圖4-22、4-23， 分別為不同AlN膜厚，波長對光響度的變化以及不同膜厚對光響應度 的變化。. 64.
(66) 60. Power (uW ). 50 40 30 20 10 0 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-18 鹵素光纖光源(150W)利用 LASER Check 量測出之光波長對. Responsivity (A/W). 能量的變化. Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-19 AlN膜厚98Å 在不同電壓下光波長對光響應度的變化. 65.
(67) 0.22. Responsivity (A/W). 0.20 0.18 0.16 0.14. Voltage 1V 2V 3V 4V 5V 6V. 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-20 AlN膜厚964Å 在不同電壓下光波長對光響應度的變化. Voltage 1V 2V 3V 4V 5V 6V. 0.13. Responsivity (A/W). 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 400. 500. 600. 700. Wavelength (nm). 800. 900. 圖4-21 AlN膜厚1256Å 在不同電壓下光波長對光響應度的變化. 66.
(68) Responsivity (A/W). AlN thin film 9.8nm 96.4nm 125.6nm. 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05. 400. 500. 600. 700. 800. 900. Wavelength (nm). 圖4-22 電壓固定6V，固定波長700nm，AlN厚度對光響應度的變化. 0.7. Responsivity (A/W). 0.6 Voltage 6V Light Wavelength 700nm. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. AlN thickness (nm). 圖4-23 電壓固定 6V，光波長700nm，AlN厚度對光響應度的變化. 67.
(69) 第五章 MIS 元件手指電極製程介紹及光電特性量測分析 本論文也另外著手製作手指圖型電極的 MIS 結構，並分析此結 構的特性。 5-1 MIS元件手指電極製程介紹 製作MIS結構手指電極的製程如下： 1. 首先，將晶片切割及清洗，步驟同 3-3-1。 2. 晶片清洗完後，進行第一次 Lift Off 製程，將手指圖形電極轉印 在Si 基板上： (1)塗佈光阻：採用負光阻，以 3000rpm 的低轉速旋轉 15 秒均勻分 佈，再以 7000rpm 的轉速旋轉 25 秒後決定厚度，圖 5-1-1。 (2)光阻軟烤：為了除去光阻溶劑水分，將以塗佈好的光阻置放入烤 箱軟烤 65℃ 1 分鐘，90℃ 9 分鐘。 (3)曝光：使用 Suss 曝光機，光源波長為 405nm 曝光 2 分 30 秒，光 罩為手指圖案，圖 5-1-2。 (4)曝光後烘烤，為了減少不同深度所產生的駐波效應(Standing Wave Effect)。將以曝光好的光阻置放入烤箱烤 90℃ 4 分鐘。 (5)顯影：以負顯影液：H2O ＝1：1 稀釋顯影液進行顯影，顯影 2 分 10 秒後馬上以去離子水沖洗乾淨，再用氮氣槍吹乾，圖 5-1-3。 (6)硬烤：放入烤箱 110℃ 2 分鐘去除水分。. 68.
(70) (7)歐姆金屬濺鍍：步驟同 3-3-2，圖 5-1-4。 (8)Lift off：將濺鍍完成的樣品浸入丙酮中去除光阻，以酒精去除丙 酮，再以去離子水沖洗乾淨，使手指圖形電極轉印在 Si 基板上， 圖 5-1-5。 3. 第一次 Lift Off 製程後，歐姆接觸電極製作，步驟同 3-3-3，完成 MIS 結構中半導體層的手指圖案電極製作。 4. 第二次 Lift Off 製程，製作另一個插入式手指圖案電極： (1)塗佈光阻：採用負光阻，以 3000rpm 的低轉速旋轉 15 秒均勻分 佈，再以 7000rpm 的轉速旋轉 25 秒後決定厚度，圖 5-1-6。 (2)光阻軟烤：為了除去光阻溶劑水分，將以塗佈好的光阻置放入烤 箱軟烤 65℃ 1 分鐘，90℃ 9 分鐘。 (3)曝光：使用 Suss 曝光機，光源波長為 405nm 曝光 2 分 30 秒，光 罩為手指圖案，其位置插入 S 層的手指圖案電極，圖 5-1-7。 (4)曝光後烘烤，為了減少不同深度所產生的駐波效應(Standing Wave Effect)。將以曝光好的光阻置放入烤箱烤 90℃ 4 分鐘。 (5)顯影：以負顯影液：H2O ＝1：1 稀釋顯影液進行顯影，顯影 2 分 10 秒後馬上以去離子水沖洗乾淨，再用氮氣槍吹乾，圖 5-1-8。 (6)硬烤：放入烤箱 110℃ 2 分鐘去除水分。 (7)AlN 薄膜沉積：步驟同 3-3-4，圖 5-1-9。. 69.
(71) (8)Lift off：將濺蒸鍍完成的樣品浸入丙酮中去除光阻，以酒精去除炳 酮，再以去離子水沖洗乾淨，使手指圖形電極轉印在Si 基板上， 完成 MIS 結構中絕緣層的手指圖案製作，圖5-1-10。 5. 第三次 Lift Off 製程，在AlN 薄膜上製作金屬層的手指圖案電極： (1)塗佈光阻：採用負光阻，以 3000rpm 的低轉速旋轉 15 秒均勻分 佈，再以 7000rpm 的轉速旋轉 25 秒後決定厚度，圖 5-1-11。 (2)光阻軟烤：為了除去光阻溶劑水分，將以塗佈好的光阻置放入烤 箱軟烤 65℃ 1 分鐘，90℃ 9 分鐘。 (3)曝光：使用 Suss 曝光機，光源波長為 405nm 曝光 2 分 30 秒，光 罩為手指圖案，圖 5-1-12。 (4)曝光後烘烤，為了減少不同深度所產生的駐波效應(Standing Wave Effect)。將以曝光好的光阻置放入烤箱烤 90℃ 4 分鐘。 (5)顯影：以負顯影液：H2O ＝1：1 稀釋顯影液進行顯影，顯影 2 分 10 秒後馬上以去離子水沖洗乾淨，再用氮氣槍吹乾，圖 5-1-13。 (6)硬烤：放入烤箱 110℃ 2 分鐘去除水分。 (7)金屬濺鍍：步驟同 3-3-2，圖 5-1-14。 (8)Lift off：將濺鍍完成的樣品浸入丙酮中去除光阻，以酒精去除丙 酮，再以去離子水沖洗乾淨，使手指圖形電極轉印在 AlN 薄膜上， 圖 5-1-15。. 70.
(72) 圖5-1 MIS元件手指電極製程流程圖. 71.
(73) 5-2 MIS元件手指電極光電特性量測分析 MIS元件手指電極結構圖如圖5-2、5-3所示，並針對此結構進行光 電特性量測。其高頻1MHz下的電壓對電容的變化，圖5-4所示，可算 出其介電常數K=6.5，與參考文獻中所提出來的介電常數接近。其在 不同光波長下，電壓對電流的變化，圖5-5所示，一樣發現在負偏壓 越來越大之情況下，隨著電場ε越大光電流亦有越來越大之情況且AlN 絕緣層的MIS元件會對不同波長的光有不同折射率的吸收而產生不 同強度的光電流，特別對在波長600nm的光照射下有最強的光電流， 圖5-6所示，可知其對光會產生光電流，可應用在光偵測元件。其不 同光波長對光響應度的變化，圖5-7所示，可以發現在波長700nm時的 光響應度最佳，隨著電場ε越大其光響應度也會越好。. 圖5-2 手指電極 SEM. 72.
(74) 圖5-3 AlN及AlN上Al/Si 金屬層，手指電極 SEM. 8.00E-011. AlN thin film 98.6nm ; Frequency 1M Hz. Capacitance (F). 7.00E-011 6.00E-011 5.00E-011 4.00E-011 3.00E-011 2.00E-011 1.00E-011 0.00E+000 -4. -2. 0. 2. 4. 6. Voltage (V). 圖5-4 手指電極AlN 膜厚986 Å ，電壓對電容的變化. 73.
(75) Current(A). -7. 7.5x10 -7 7.0x10 -7 6.5x10 -7 6.0x10 -7 5.5x10 -7 5.0x10 -7 4.5x10 -7 4.0x10 -7 3.5x10 -7 3.0x10 -7 2.5x10 -7 2.0x10 -7 1.5x10 -7 1.0x10 -8 5.0x10 0.0 -8 -5.0x10. Light Wavelength(nm) No Light 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0. 1. 2. 3 4 Voltage(V). 5. 6. 圖5-5 手指電極AlN膜厚986 Å ，不同波長的光下，電壓對電流的變化. Voltage (V) 1V 2V 3V 4V 5V 6V. Current (A). -7. 7.0x10 -7 6.5x10 -7 6.0x10 -7 5.5x10 -7 5.0x10 -7 4.5x10 -7 4.0x10 -7 3.5x10 -7 3.0x10 -7 2.5x10 -7 2.0x10 -7 1.5x10 -7 1.0x10 -8 5.0x10 0.0 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖5-6 手指電極AlN膜厚986 Å ，不同電壓下，光波長對電流的變化. 74.
(76) 0.022. Voltage 1V 2V 3V 4V 5V 6V. Responsivity (A/W). 0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 400. 500. 600 700 Wavelength (nm). 800. 900. 圖5-7 手指電極AlN膜厚986 Å，不同電壓下光波長對光響應度的變化. 75.
(77) 第六章 結論與未來展望 本研究利用雷射濺鍍氮化鋁薄膜於 p-type Si (100)基板上，並完 成 MIS 元件之製作，透過電壓-電流、電壓-電容、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.利用400~850nm波長之光纖光源照射於在氮化鋁製作之 MIS 結 構，得到波長400~850nm的光響應度，可應用於可見光之光偵測器。 2.由於氮化鋁具有高介電常數及UV 穿透性，因此可以利用雷射濺鍍 控制氮化鋁之厚度，使其光響應度用於波長100~200nm 範圍內， 可應用於UV光波段偵測器之發展。 3.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。 4. MIS元件手指電極的光響應度沒有優於圓型電極，可以透過改善濺 鍍AlN所需的光罩來增加AlN照光面積，進而提升手指電極之製程 的光響應度並應用於可見光之光偵測器。. 76.
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