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研究發展(一)

以奈米科技增進金屬/半導體接點導電特性

黎中立 管傑雄

 

    在半導體元件及積體電路的應用領域中,金屬/半導體歐姆接點(metal-semiconductor Ohmic contact)始終扮演著一個重要的角色,因為它是元件與其外部連接的橋樑。所謂歐姆接點是指施加電壓於其上時能提供元件所需的電流,但不會影響元件特性之接點,也就是在接點處的電壓降與元件工作區的電壓降相比要夠小。傳統上為了改進金屬/半導體介面(metal-semiconductor interface)而獲得歐姆接點,一般都是將金屬蒸鍍在半導體表面後,再進行所謂的退火處理(annealing process),即一種加熱處理,例如:鋁/矽接點須加熱至約450℃,以增進金屬/半導體接點之導電特性(Metal-Semiconductor Contact Conductance),但在元件日益縮小的趨勢中,加熱所造成的滲雜原子(dopant atoms)擴散效應,會影響元件的功能。在此考量下,低溫製程是可行的改進方式。本研究的目的即在提供有別於退火處理的另外一種選擇,即應用奈米科技來改進金屬/半導體接點之導電特性,本實驗室應用電子束微影技術(Electron Beam Lithography),在矽晶片表面製造奈米孔洞陣列結構,以改善金屬/半導體介面性質並增進其導電性,目前研究結果顯示,在矽晶片表面建構方型孔洞陣列,且在孔洞夠小的情況下,與未建構奈米孔洞而只做退火處理的對照樣品相比,其金屬/半導體接面的導電特性可獲致2~6倍的改善,而將具奈米孔洞之樣品再做退火處理時,可達到約4個數量級之改進,而且其退火溫度及時間皆小於傳統退火處理者。

     在實驗中,我們充份發揮了本實驗室電子束微影技術之均一性(uniformity)及多樣性(flexibility)特點,設計從200奈米至數十微米的方型孔洞陣列,並各具特定的週期,以探究奈米孔洞陣列結構特性對金屬/半導體導電特性的影響。首先將設計好的陣列結構圖型(Pattern)經由電子束微影製程,將其刻畫在塗布於矽晶片表面之光阻材料上,再經反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching ,RIE)製程將圖型轉至矽晶片上,隨即將殘留於矽晶片表面之光阻材料去除,並清潔其表面及做去氧化層處理,即完成奈米孔洞陣列的製作,完成之結構如圖1所示。接著將鋁蒸鍍在矽晶片表面,並涵蓋所有方型孔洞陣列區域,即構成一個金屬/半導體接點,如圖2,而4個接點依續兩兩之間之距離為20、30及40微米。形成一組基於傳輸線法(Transmission Line Method)之量測架構,以量測接點導電率。實驗結果顯示,在孔洞陣列涵蓋率夠大時(約大於8%),單位孔洞面積之電導值即導電率與其涵蓋率無關,因為在高涵蓋率時導電性由流經孔洞內之電流(如圖2的Ii)來決定,而在低涵蓋率時導電性由流經孔洞外之電流(如圖2的Io)來決定,從中並發現導電率會受到孔洞大小的影響,如圖3所示,導電率隨著孔洞的變小而增加。為了與不具孔洞陣列而只做退火處理的實驗樣品作比較,將一系列的實驗樣品從300℃到600℃,每隔50℃做退火處理,退火時間為10分鐘,其中以在450℃作快速熱退火處理(Rapid Thermal Annealing, RTA)者可獲得最大導電率,為進一步確認此最佳值,以該溫度及550℃再進行退火處理30分鐘,結果亦獲得450℃為最佳退火溫度,如圖3之插圖所示,遂將此條件下所獲得之導電率作為比較標準,並以圖3中之水平橫線標示。圖3結果顯示,在孔洞小到480奈米以下時,其導電率已超越未具孔洞而只做退火處理之樣品,且達到2~6倍的改進。為了確認能否更進一步的增加具孔洞陣列樣品之導電率,我們也著手具480奈米孔洞樣品的退火處理,溫度由20℃到620℃,每個樣品間隔40℃,如圖4所示,導電率之峰值位於340℃~420℃之間,與圖3之比較標準比較,可達到約4個數量級之改進,端賴於介面影響區域的大小,而且退火溫度及時間皆小於比較標準者。顯示奈米孔洞陣列之運用於改進金屬/半導體介面導電率深具在低溫製程應用之潛力。

圖1:奈米孔洞陣列結構斷面45∘傾視掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)照片。

 

圖2:鋁/矽接點剖面及奈米孔洞陣列金屬覆蓋示意圖。Ii表示流經孔洞內之電流,Io表示流經孔洞外之電流。

 

 

圖3:金屬/半導體接點之導電率(GN)與奈米孔洞大小關係圖。插圖為未具奈米孔洞樣品之退火處理結果,橫線代表退火處理最佳結果並作為比較標準。

 

     為了探究奈米孔洞陣列對金屬半導體介面微結構(Microstructure)的影響,我們以穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)來觀察樣品斷面(cross-sectional area)。首先進行未做退火處理之樣品觀察,如圖5所示,發現垂直於介面之上下走向高對比線條的產生,並與孔洞大小有一定的關係,即孔洞愈小此種線條的分布密度愈高,為了研究存在於連續兩線條之間高對比(high contrast)區域的材料性質,我們選擇了480奈米孔洞之樣品作TEM斷面觀察及選區繞射分析(Selected Area Diffraction),結果顯示兩線條間之區域係為結晶結構(crystalline structure),因此我們可將此高對比線條稱為晶界(grain boundary)。綜合以上結果得知金屬/半導體接點導電率隨著金屬晶粒(crystal)數目之增加而增加,其初步之解釋為:奈米孔洞陣列造成金屬/半導體介面應變(strain)的改變,致使金屬薄膜產生微結構的改變,而造成導電率變大的原因可能是鋁/矽介面之應變造成蕭特基能障(Schottky barrier)降低,導致電流的傳導變大,而所產生的晶界亦可提供電流傳導之額外路徑。至此奈米孔洞陣列對金屬/半導體接面導電率提升之原因已獲初步解釋,更進一步的相關研究如晶格常數(lattice constant)之量測等正接續進行中。

  

圖4:具奈米孔洞樣品之退火處理結果。金屬/半導體接點之導電率(GN)之峰值在340~420℃橫線代表同於圖3之比較標準。

 

圖5:金屬斷面微結構(microstructure)穿透式電子顯微鏡照片為240奈米孔洞,(b)為480奈米孔洞,(c)為0.96微米孔洞,(d)為2.4微米孔洞,(e)為12微米孔洞,(f)為指定區域之繞射圖型。

 

    綜合以上所述,我們使用本實驗室核心設備-電子束微影系統設計出高均一性的方型奈米孔洞陣列結構,成功地改進金屬/半導體介面性質並達成增進其接點導電率的目標。實驗結果顯示,當孔洞小到480奈米以下時,其導電率能超越傳統退火處理之接點導電率,這也說明了小孔洞之陣列結構可以取代退火處理,尤其是在低溫製程的應用中。透過穿透式電子顯微鏡的觀察,發現金屬晶粒皆出現於孔洞中或其附近,且晶界密度(grain boundary density)隨著孔洞變小而增大,此結果可被歸為導電率增加的原因之一。其他更深入之探討亦在進行中,經過退火處理後之具奈米孔洞陣列樣品,可大幅改進金屬/半導體接點導電率約達4個數量級,其熱處理溫度及時間均小於傳統退火處理者,基於以上結果可證實,奈米孔洞陣列可用於改進金屬/半導體介面應變而增加其接點導電率。(本期本欄策畫/電機學系林茂昭教授)

 

參考文獻:

[1]J.L. Li, C.W. Chiu and C.H. Kuan, “Nanohole-Array Modified Interface to Improve the Metal-Semiconductor Contact Conductance”, 2008 International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2008), October 27-30, Fukuoka, Japan

[2]J. L. Li, C. H. Kuan, and Y. H. Lin, “Arrayed Holes in the Metal-Semiconductor Interface to Improve the Contact Conductance”, 2008 Materials Research Society(MRS) Spring Meeting, Mar 24~28, 2008, San Francisco, U.S.A.

[3]J. L. Li, C. H. Kuan, G. H. Mei, H. C. Lo, C. K. Lee and L. C. Chen, “Improvement on Metal Semiconductor Contact Conductance by Using the Array of the Square Valleys”, International Vacuum Conference-17 / International Conference of Surface Science-13 / International Conference of Nanoscience and technology 2007, July 2-6 2007, Stockholm, Sweden.

   

管傑雄小檔案1962年出生於臺北,1985年臺灣大學電子工程學系畢業,於1990及1994分別取得美國普林斯頓大學電子工程碩士及博士學位。攻讀博士時主修暗電流和紅外線熱電子電晶體的雜訊分析,並與紐澤西美軍實驗室合作。1994獲聘臺大電子工程學系副教授,2002年升任教授迄今,現亦為國際電機電子學會及斐陶斐榮譽學會會員。專長為光電元件、雜訊量測、奈米電子、生醫晶片,近來主要研究有室溫紅外線偵測器、量子井光偵測器和雷射、微電子生醫晶片、矽鍺發光二極體、快閃記憶體和如何量測及抑止光偵測器雜訊。

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