國立高雄大學電機工程學系碩士班
碩士論文
Al/SiO2/Si MIS 光偵測器製作及其光響應特性研究
The Fabrication of a Al/SiO2/Si MIS Photo-detector and the
Study of its I-V Characteristics
研究生：謝孟憲 撰
指導教授：施明昌 博士
共同指導教授：郭馨徽 博士
中華民國 一百零六 年 七 月
論文審定書
I
誌謝
首先感謝指導教授 施明昌 教授，讓我可以加入實驗室團隊，待在設備完備的實驗
室中作研究，並時常給予理論知識與實驗操作上的建議與教導。老師對於實驗的精準態
度，對於設備的保養和維護以及事必躬親的態度，是我學習的模範，在研究上，老師要
求以嚴謹的態度來進行實驗的探究及實驗的方法，讓我了解這不僅僅是對研究也是對於
待人處事上所該具備的態度。
另外特冸感謝共同指導教授 郭馨徽 教授，培養我閱讀論文及彙整參考文獻重點的
能力，讓我在尋找研究相關的文獻時，能夠快速地了解及整理出文獻所要表達的重點及
歸納出論文中可引用的相關資料。最後感謝 李孟恩 教授在百忙之中抽空來參加論文口
試，並給予論文寶貴的建議和提點。
特冸感謝助理 林琬淇、黃瓊萱 小姐，感謝你們幫大家處理了實驗室中許多的事務，
讓大家可以有更多的時間、更多資源來進行研究。感謝學弟明皓、立恆，在實驗上的幫
忙，也特冸感謝學長 聖文 在畢業後，仍給予我許多寶貴的意見，在研究上遇到瓶頸時，
為我解惑。
最後將本論文獻給我摯愛的家人，感謝對我的栽培，並且支持我去完成碩士學位。
也感謝在學期間幫助過我的各位，謝謝。
II
Al/SiO2/Si MIS光偵測器製作及其光響應特性研究
指導教授：施明昌 博士
共同指導教授：郭馨徽 博士
國立高雄大學電機工程學系
學生：謝孟憲
國立高雄大學電機工程學系碩士班
摘要
MIS元件具有簡單的結構且易與矽晶基板整合的優點，且可以利用不同的介電材料
達到光偵測波長的選擇性，因此本論文主要是探討一Al/SiO2/Si MIS元件的製作及其光
偵測響應的研究，本實驗使用一p-type矽(p-Si)基板，並使用電子束蒸鍍機(Electron beam
evaporation) 蒸鍍Al導電層與SiO2介電層於矽基板，實驗中使用電流-電壓(I-V)特性量測
系統，討論不同SiO2厚度、退火與否對光響應度之影響研究，我們得到Al/SiO2/Si MIS
元件在紫外光(400 nm)及遠紅外光(800 - 900 nm)比可見光(500 nm - 800 nm)有較強的光
響應，其原因是Al/SiO2薄膜在可見光範圍的反射率很大，因此可以提供未來發展一WLB
(white light blinded) 光偵測器之參考。
關鍵字：鋁、二氧化矽、MIS光偵測元件、光響應度
III
The Fabrication of a Al/SiO2/Si MIS Photo-detector and
the Study of its I-V Characteristics
Advisors: Dr. Ming-Chang Shih
Co- Advisors: Dr. Hsin-Hui Kuo
Department of Electrical Engineering
National University of Kaohsiung
Student: Meng-Hsien Hsieh
Department of Electrical Engineering
National University of Kaohsiung
ABSTRACT
MIS device with its advantages of versatile current-voltage (I-V) control with simple
structure and compatibility with Si substrate that make it an ideal device for high speed
photodetector devices. In this thesis, we demonstrate the fabrication of a Al/SiO2/Si MIS
device on p-type silicon (100) substrate, and its characterization of photo-responsivity. The
dielectric materials were deposited by using an electron beam evaporator. In the experiments,
I-V characteristics and photo-responsivity of fabricated MIS device with/without annealing
and different thicknesses of SiO2 layers were studied. It was found an enhancement of the
photo-responsivity at ultra-violet light (UV) (400 nm) and at far infrared light (800 - 900 nm),
and with strong suppression around white light range (500nm - 800nm) by strong reflection
of Al/SiO2 film. These results will help the development of white light blinded photo-detector
in the future.
Keyword: Al,SiO2,MIS photo-detector, photo-responsivity
IV
目錄
論文審定書 ....................................................................................................................... I
誌謝 .................................................................................................................................. II
摘要 .................................................................................................................................III
ABSTRACT ................................................................................................................... IV
目錄 .................................................................................................................................. V
圖目錄 ........................................................................................................................... VII
表目錄 .............................................................................................................................. X
第一章 緒論 ..................................................................................................................... 1
1-1 研究目的及動機 ................................................................................................... 1
第二章 MIS 基本理論 .....................................................................................................2
2-1 MIS 元件介紹 ....................................................................................................... 2
2-2 MIS 光偵測原理介紹 ........................................................................................... 3
2-3 MIS 元件原理 ....................................................................................................... 6
第三章 介電材料及薄膜的光學特性介紹 ...................................................................10
3-1 介電材料特性 ..................................................................................................... 10
3-2 薄膜的反射特性 ................................................................................................. 12
3-3 二氧化矽（SiO2）.............................................................................................. 15
3-4 掃描式電子顯微鏡 (SEM)與薄膜表面結構的觀察 ........................................ 17
第四章 MIS 元件製作 ...................................................................................................19
V
4-1 MIS 元件製作流程之介紹 ................................................................................. 19
4-2 電子束蒸鍍系統 ................................................................................................. 28
4-2-1 鍍膜沈積技術介紹 ...................................................................................... 31
4-3 鋁(Al)導電材料特性 .......................................................................................... 34
4-3-1 Al/Si 合金接觸電極製作 ............................................................................. 34
第五章 實驗結果與分析 ............................................................................................... 36
5-1 量測系統簡介 ..................................................................................................... 36
5-1-1 電流-電壓量測系統 ..................................................................................... 36
5-2 退火對薄膜表面結構之影響分析 ..................................................................... 37
5-3 電流-電壓特性量測 ............................................................................................ 39
5-4 光響應度特性量測 ............................................................................................. 42
第六章 結論與未來展望 ............................................................................................... 49
參考文獻 ......................................................................................................................... 50
VI
圖目錄
圖 1-1 Al/ SiO2/Si 金屬-絕緣層-半導體光偵測器元件結構 ........................................ 1
圖 2-1 金屬氧化物半導體(MOS)的結構示意圖[41] .................................................... 3
圖 2-2 光子產生電子電洞對情形 .................................................................................. 4
圖 2-3 光子與電子交互作用示意圖(a)吸收 (b)自發放射 (c)受激放射 .................... 4
圖 2-4 MIS 元件之結構圖 .............................................................................................. 5
圖 2-5 MIS 元件之俯視圖 .............................................................................................. 5
圖 2-6 V＝0 時理想 MIS 能帶圖[7] .............................................................................. 6
圖 2-7 累積區下能帶圖與電荷分佈[7] ......................................................................... 7
圖 2-8 累積區下載子分佈 .............................................................................................. 7
圖 2-9 空乏區下能帶圖與電荷分佈[7] ......................................................................... 8
圖 2-10 空乏區下載子分佈 ............................................................................................ 8
圖 2-11 反轉區下能帶圖與電荷分佈[7] ....................................................................... 9
圖 2-12 反轉區下載子分佈 ............................................................................................ 9
圖 3-1 四種不同極化方式[28] ..................................................................................... 11
圖 3-2 各高介電材料之載子位能障[41] ..................................................................... 12
圖 3-3 漏電流與高介電材料能隙關係[28] ................................................................. 12
圖 3-4 基板 ns 鍍上折射率為 N 的薄膜，厚度為 d ................................................... 13
圖 3-5 二氧化矽（SiO2）結構圖[11].......................................................................... 16
圖 3-6 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖 .................................................................... 17
圖 4-1 成長 Al 製程圖 .................................................................................................. 20
圖 4-2 光阻塗佈製程圖 ................................................................................................ 20
圖 4-3 光罩圖示意圖 .................................................................................................... 21
圖 4-4 曝光製程圖 ........................................................................................................ 21
VII
圖 4-5 Suss-MA45 曝光機 ............................................................................................ 21
圖 4-6 顯影製程圖 ........................................................................................................ 22
圖 4-7 濕式蝕刻製程圖 ................................................................................................ 22
圖 4-8 光阻剝離製程圖 ................................................................................................ 23
圖 4-9 二次對準製程圖 ................................................................................................ 23
圖 4-10 成長 SiO2 層..................................................................................................... 24
圖 4-11 堆疊 SiO2 層..................................................................................................... 24
圖 4-12 堆疊 SiO2 層..................................................................................................... 25
圖 4-13 三次對準製程圖 .............................................................................................. 25
圖 4-14 濕式蝕刻製程圖 .............................................................................................. 26
圖 4-15 Al/SiO2/Si MIS 元件圖.................................................................................... 26
圖 4-16 ULVAC MILA-3000 RTA 快速退火機 ......................................................... 28
圖 4-17 電子束蒸鍍系統之示意圖 .............................................................................. 30
圖 4-18 電子束加熱圖[30] ........................................................................................... 30
圖 4-19 電子束蒸鍍系統實體圖 .................................................................................. 30
圖 4-20 Al/Si 未退火 I-V 圖 ......................................................................................... 35
圖 4-21 Al/Si 退火後 I-V 圖 ......................................................................................... 35
圖 5-1 電壓-電流量測系統 .......................................................................................... 36
圖 5-2 HP4145B 機台外觀 ........................................................................................... 36
圖 5-3 量測平台與探針座 ............................................................................................ 37
圖 5-4 I-V 量測圖 ......................................................................................................... 37
圖 5-5 SiO2 層未退火之 MIS device I-V 曲線 ............................................................ 38
圖 5-6 SiO2 層經退火之 MIS device I-V 曲線 ............................................................ 38
圖 5-7 負電壓時能階圖 ................................................................................................ 39
圖 5-8 正電壓時能階圖 ................................................................................................ 40
VIII
圖 5-9 Al/SiO2/Si 光譜電流圖 ...................................................................................... 40
圖 5-10 Al/SiO2/Si 0～10V 光譜電流圖 ...................................................................... 41
圖 5-11 Al/SiO2/Si -10～0V 光譜電流圖 .................................................................... 41
圖 5-12 光功率計儀器圖 .............................................................................................. 42
圖 5-13 光功率與光波長關係圖 .................................................................................. 43
圖 5-14 CM-110 單光儀儀器圖 ................................................................................... 43
圖 5-15 Al/SiO2/Si 0～10V 的光響應圖 ...................................................................... 45
圖 5-16 Al/SiO2/Si -10～0V 的光響應圖 .................................................................... 45
圖 5-17 反射光譜儀 ...................................................................................................... 46
圖 5-18 Al/SiO2/Si 之 R(%) .......................................................................................... 46
圖 5-19 Al/SiO2/Si 1000Å 0～10V 的光響應圖 .......................................................... 47
圖 5-20 Al/SiO2/Si 1400Å 0～10V 的光響應圖 .......................................................... 47
圖 5-21 Al/SiO2/Si 2000Å 0～10V 的光響應圖 .......................................................... 48
IX
表目錄
表 3-1 二氧化矽物理特性[11] ..................................................................................... 16
表 3-2 各種顯微術的比較[37] ..................................................................................... 18
表 4-1 Density 與 Z-ratio data ....................................................................................... 31
表 4-2 幾種介電薄膜沉積方式的比較[4] ................................................................... 32
表 4-3 薄膜製作技術優劣比較[18] ............................................................................. 33
表 5-1 高介電常數材料之性質對 MOSFET 元件的影響[27] ................................... 42
X
第一章 緒論
1-1 研究目的及動機
由於自動化及智慧機械多元化的感測器時代來臨，對於提供光、聲、熱、力
及運動等，環境變因的偵測，除了訊息傳遞地速度快，更要具備大的資料量傳輸，
運算的時間要短，強調效能的提升與應用。因為矽晶圓製程是目前最先進成熟的
元件製程技術，因此，對於矽的光電子(Silicon Photonics)元件的技術開發與應用，
成為目前半導體產業了熱門的研究探討項目之一，其中氧化矽 SiOx 因與矽基板的
高穩定性與相容性，以及對比反差大的透光性，使其成為了製作矽光電元件的普
遍使用的介電質材料。
光偵測器有許多種方式，例如：發光元件、真空檢光器、Photomultiplier、Multiple
quantum well detectors、PN junction detectors、PIN junction detectors、Schottky
photodiodes、Phototransistors、Charge-coupled devices (CCD)等，依據結構區分為：
光導體、感光二極體、金屬-半導體-金屬（MSM）、金屬-絕緣層-半導體（MIS）。
其中 MIS 光偵測元件之優點為暗電流小、低雜訊、外加電壓高、反應速度快，若
配合絕緣層材料的選擇，及控制絕緣層材料的厚度，可達到控制光響應的效果，
因 此 本 論 文 主 要 製 作 如 圖 1-1 Al/SiO2/Si 金 屬 - 絕 緣 層 - 半 導 體 光 偵 測 器
(Metal-Insulator-Semiconductor ,MIS)元件，並探討不同 SiO2 厚度及 SiO2 退火與否
對光響應特性的影響。
圖1-1 Al/ SiO2/Si金屬-絕緣層-半導體光偵測器元件結構
1
第二章 MIS 基本理論
2-1 MIS 元件介紹
所謂的 MIS 薄膜元件，是指組成元件的三種基本材料：金屬層、氧化層、半
導體，如圖 2-1 所示為 MOS 的橫截面示意圖。其中電晶體內的氧化層，因絕緣特
性又可稱之為絕緣層，因此 MOS 結構亦可稱為 MIS(Metal Insulator Semiconductor)
結構。
在 80 年代早期，Maserijian 和 Zamani 首先發表在低電場應力下，超薄氧化層
元件(氧化層厚度小於 5nm)之漏電流會受到高電場應力而增加。一般而言，對於
MIS 元件之氧化層材料的要求有下列幾點：
(1) 要有低漏電流。
(2) 在介電層與矽基板間的應力要小。
(3) 熱穩定性要佳，也就是說在製程上不能有微結構上之缺陷。
(4) 高介電崩潰強度。
目前為了解決元件微縮後帶來短通道效應及量子穿隧效應等問題，許多文獻
利用高介電係數材料來取代原來的 SiO2 絕緣層，由公式 2-1 得知，若高介電常數
氧化層欲擁有與 SiO2 相同之電容值條件，則高介電常數氧化層可容許比 SiO2 更大
的厚度。而更厚的氧化層能避免直接穿隧效應，有效減少漏電流。
(公式 2-1)
其中 C 為電容、d 為薄膜厚度、ε 為介電常數、A 為薄膜面積
2
圖2-1 金屬氧化物半導體(MOS)的結構示意圖[41]
2-2 MIS 光偵測原理介紹
光偵測器(Photodetector)是一種利用光子和半導體內的電子之間的交互作用，
當光子被吸收之後，會在元件中產生電子-電洞對，接著電子-電洞對會被電場分離，
而在電極之間產生光電流之流動，便能夠將光訊號轉換為電訊號的半導體元件，
而光偵測器的原理包括三個步驟：
1.由入射光的光子產生載子。
2.藉著任何可行的電流增益機制，來使載子傳輸或者累增載子。
3.產生的電流經外部電路交互作用，用來提供輸出訊號。
光子和半導體內的電子之間主要有三種交互作用：吸收(absorption)、自發放射
(spontaneous emission )、受激放射(stimulated emission )。如果其光子能量 hν 大於
半導體能帶寬度 Eg，則光子被半導體吸收且激發同時產生一電子電洞對，如圖 2-2。
如果外加一負偏壓下，產生的電場將半導體界面的基板之多數載子電洞吸引過來，
使得能帶向上彎曲。如圖 2-3 所示，E1 與 E2 分冸表示基態(ground state)與激態
(excited state)，則在此兩能階產生的光子頻率為 ν12，其 hν12＝E2-E1。一般情況下
原子多處於基態，假如有一道光蘊含能量為 hν12 的光子衝擊此基態系統，則電子
會獲得能量並躍遷至激態，此過程即稱吸收如圖 2-3(a) ，光子被半導體吸收後，
會在半導體與絕緣層介面出開始產生電子電洞對，隨著光照強度增加，電子可流
3
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。而在激態中的電子是屬於不穩定的，因此過段時間後電子在未
受外力影響下有機會自己回到基態，並放出能量為 hν12 光子，此即為自發放射如
圖 2-3(b)。然而當在激態的電子受到一個能量 hν12 的光子衝擊後，這電子會轉移到
基態並放出一個與入射輻射同相位且能量為 hν12 的光子，此過程則稱為受激輻射
如圖 2-3(c)。
h
Ec
Eg
photon
Semiconductor
Ev
h  Eg
圖2-2 光子產生電子電洞對情形
前
後
E2
E2
hν12
E1
(a)
E2
E1
E2
hν12
E1
(b)
E2
E1
E2
hν12
hν12
(c)
E1
hν12
E1
(同相位)
圖2-3 光子與電子交互作用示意圖(a)吸收 (b)自發放射 (c)受激放射
4
光偵測器在所工作的波長範圍中必頇具有高靈敏度、高響應速度及低雜訊，
通常配合絕緣層材料的選擇，及控制絕緣層材料的厚度，可達到控制光響應的效
果，並偵測特定波長的光偵測效果，設計偵測不同波長(Wavelength)的光，其光偵
測器可偵測波長可由紅外光－可見光－紫外光、紅外光波段、紫外光波段…等，
依使用需求設計偵測範圍，此外，光偵測器必頇盡量微小化、使用低電壓、或低
電流、並在運作條件下具有高可靠度。[14][19]圖 2-4 為 MIS 元件之結構圖。圖 2-5
為 MIS 元件之俯視圖。
圖2-4 MIS元件之結構圖
圖2-5 MIS元件之俯視圖
5
2-3 MIS 元件原理
當 MIS 施加一偏壓時，會有三種操作區域：（一）偏壓小於平帶電壓(flatband
voltage)稱之為累積區，（二）偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間(threshold voltage)
稱之為空乏區，（三）偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。[20-21]
MIS 元件於零偏壓時，如圖 2-6 所示能帶圖，金屬介面功函數 qΦm 與半導體
介面功函數 qΦs 的能差為零，即功函數差 qΦms 為零。
圖2-6 V＝0時理想MIS能帶圖[7]
金屬功函數：qΦm
半導體功函數：qΦs
電子親和力：qx
本質費米能階（Ei）－費米能階（EF）：qΦF
（一）累積區（accumulation）如圖2-7所示：偏壓小於平帶電壓(flatband voltage)。
當一負電壓（V＜0）施加於元件電極金屬端時，絕緣層與半導體介面（interface）
處將感應出超量的正載子（電洞），在此情形下，接近半導體表面的能帶向上彎
曲。半導體表面向上彎曲的能帶使得Ei-Ef的能差變大，進而提昇電洞的濃度，而
在絕緣層與半導體的介面處產生電洞聚集。其中Qs為半導體中每單位面積之正電
荷量，Qm為金屬中每單位面積之負電荷量。此時MIS元件將像一個平行板電容器，
6
由C-V特性曲線我們可了解此時的電容為最大值，且呈現一平坦飽和狀態。此時，
CLF=CHF=CFN。
V＜0
圖2-7 累積區下能帶圖與電荷分佈[7]
Insulation
Metal
Semiconductor
圖2-8 累積區下載子分佈
(公式2-2)
其中，VFB：平帶電壓，CLF：低頻電容，CHF：高頻電容，CIN：絕緣層電容
（二）空乏區（depletion）如圖2-9所示：偏壓介於平帶電壓與臨界電壓之間
(threshold voltage)稱之為空乏區。當外加一小量正電壓（ΔV＞0）於MIS元件時，
靠近半導體表面能帶將向下彎曲，形成空乏區。半導體中單位面積之空間電荷Qsc
的值為-qNAW，其中W為表面空乏區（depletion region）的寬度。圖2-11為空乏區
7
下載子分佈。[22]
圖2-9 空乏區下能帶圖與電荷分佈[7]
圖2-10 空乏區下載子分佈
(公式2-3)
其中，Xd：空乏寬度，VT：臨界電壓
（三）反轉區（inversion）如圖2-11所示：偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。
當外加正電壓(V>VT)時，能帶向下彎曲更嚴重，使得表面的本質能階Ei越過費米能
階EF(Ei－EF >0)，使得絕緣層與半導體界面處開始吸引超量的載子（電子）。因此
介面上電子（少數載子）數目大於電洞（多數載子）時，呈現反轉，且由C-V特性
曲線可得知，電容會隨著偏壓的上升而增加，直到等於絕緣層電容，但在低頻時
8
少數載子能跟得上頻率的變化，而在高頻時，少數載子跟不上頻率變化。[23]
V
Metal
Insulator
Semiconductor
圖2-11 反轉區下能帶圖與電荷分佈[7]
Metal
Insulation
Semiconductor
圖2-12 反轉區下載子分佈
(公式2-4)
其中，Xdmax：空乏最大寬度，  s ：介電係數
9
第三章 介電材料及薄膜的光學特性介紹
3-1 介電材料特性
介電材料特性：在大部分情況下為絕緣體；當存在外加電場時，材料所包含
的電子、離子、或分子會因而產生極化，以微觀的角度來看，當外加電場作用時，
絕緣體內的傳導載子仍固定在原位，無法移動，但介電材料的載子卻能有短距離
的相對位移(displacement)，如此稱之為極化。將此種材料置於電容的兩個極板之
間時，會增加電容的電容量，此一貢獻便是介電材料的最大應用。產生極化的因
素有四種：
〈1〉電子極化(electron polarization)：
所有的材料都會發生，乃外加電場造成電子雲的形變，電子雲中心不與原子
核中心重疊，相對於原子核有一淨位移。
〈2〉離子極化或原子極化(ionic polarization or atomic polarization)：
陰、陽離子因外加電場介入，會改變離子間距或鍵結角度，因此造成偶極矩。
〈3〉偶極極化或方向極化(dipole polarization or orientation polarization)：
具有永久偶極矩的分子，會順著平行電場的方向排列。
〈4〉空間電荷極化(space charge polarization)：
當兩種或兩種以上的物質在一起時，由於彼此間導電性之不同，載子會受能
障阻擋，在界面處會減速或囤積而造成電容質增加之效應。
在上述的極化方式中，空間電荷極化需花最長的時間，因其電荷移動距離較
長，其他則依偶極極化、離子極化、電子極化的順序而越來越快，因此當外加交
流電場時，隨著頻率越來越高，空間電荷極化會最先消失，因其電荷移動跟不上
電場方向的轉變，接著依序消失的是偶極極化、離子極化，到了很高頻的時候只
剩下電子極化，故當外加交流電場的頻率越來越高時，相對的介電常數也會下降。
10
圖3-1 四種不同極化方式[28]
二氧化矽氧化層有以下幾個問題：一、直接穿透漏電流的問題；薄氧化層已
不是一個良好絕緣體，漏電流的大小隨厚度減少呈現級數增加。二、通道電子漏
失的問題；太大的漏電流使得電子無法在通道中累積，降低元件電流的驅動力。
三、載子遷移率下降的問題；氧化層厚度的減少使得垂直於通道的電場快速增加，
導致通道中的載子遷移率下降。以矽為半導體為基底的金氧半電晶體（MOSFET）
為例，尺寸越做越小，已經是現今科技上的趨勢，故在閘極氧化層厚度越小情況
下，必頇研究開發新的介電材料來取代原有二氧化矽（SiO2），如：Al2O3、Ta2O5、
STO、BST 等，為 high-k 電容的材料，另有 Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、
La2O3、Pr2O3 等，為 high-k 閘極絕緣膜的材料。
11
圖3-2 各高介電材料之載子位能障[41]
Dielectric Constant k～1/EG
ΔEC≧1eV for Low
ΔEC
EC
ε
ΦM
EF
EG
Gate Dielectric
圖3-3 漏電流與高介電材料能隙關係[28]
3-2 薄膜的反射特性
當在基板Ns鍍上如圖3-4所示，折射率為N，厚度為d之單層膜後，薄膜與基板
構成兩個介面a和b。於是入射波由介質N0入射，經由介面a與b反射，會在a、b介面
形成淨電場與淨磁場Ea、Ha及Eb、Hb。假設所有的介電值是均勻且各向同性，介
面是平行且可無限延伸。
12
substrate
Thin-film
a
b
圖3-4 基板ns鍍上折射率為N的薄膜，厚度為d
由於波的形式為
(公式 3-1)
所以在光行進距離 d 後走了相厚度 δ，以及在 z 方向會有個相位差 δ
(公式 3-2)
設平行於界面之電磁場分冸以符號 E 與 H 表示，由於他們在界面上必頇是連
續值，因此可得以下關係式：
在界面 b：
淨電場
(公式 3-3)
淨磁場
或
(公式 3-4)
在介面 a：
淨電場
(公式 3-5)
淨磁場
或
(公式 3-6)
13
η0、η、ηs分冸表示入射介電質、薄膜及基板之一般光學導納。
由於電場在薄膜由界面a走到界面b有相位差δ存在，所以
(公式3-7)
(公式3-8)
由式子(3-3)、(3-4)可得
於是
*
(
+
(公式3-9)
)
(公式3-10)
合併(3-9)、(3-10)式，寫成矩陣行列式[1]
[
]
[
][
]
(公式3-11)
所以矩陣
[
]
(公式3-12)
連結了a、b兩界面間電磁場的關係。
它代表了該單層膜的特性，因此稱之為薄膜之特徵矩陣，簡稱膜矩陣。
由式子(3-5)、(3-6)得知
14
及
因此反射係數
(公式3-13)
比較式(3-13)與
及
知
相當於鍍膜後的導納ηE，亦
即可化兩個界面a、b為一個界面。將ηE以Y為代表而稱Y為等效導納。
同理透射係數為
若將(3-11)式之左右矩陣各除以Eb，則
等值於基板之導納，而式(3-11)
可寫成
* +
[
][ ]
(公式3-14)
等效導納為
(公式3-15)
反射係數為
(公式3-16)
透射係數為
(公式3-17)
反射率為
透射率為
| |
(
(
)
| |
)(
)
(
(
(公式3-18)
)
)(
)
(公式3-19)
3-3 二氧化矽（SiO2）
SiO2 晶體在半導體元件的應用上，被稱為高品質的絕緣層，本身有多種晶型，
其基本結構單元是四面體，每個 Si 周圍結合 4 個 O，Si 在中心，O 在四個頂角；
許多這樣的四面體又通過頂角的 O 相連接，每個 O 為兩個四面體所共有，即每個
O 與 2 個 Si 相結合。實際上，SiO2 晶體是由 Si 和 O 按 1：2 的比例所組成的立體
15
網狀結構的晶體，如圖 3-5 所示。因此，通常用 SiO2 來表示二氧化矽的組成。SiO4
四面體不僅存在於 SiO2 晶體中，而且存在於所有矽酸鹽礦石中。二氧化矽(SiO2)
薄膜已經是一種普遍應用於各個領域的重要膜層，例如在半導體技術方面，SiO2
薄膜是最常用來當作絕緣層的一種材料；在鍍膜工業中，SiO2 薄膜也常用來當作
金屬或其他材料的表面抗刮與保護層。[11]
圖3-5 二氧化矽（SiO2）結構圖[11]
表 3-1 二氧化矽物理特性[11]
化學式
SiO2
分子量
60.1 g〃mol-1
密度
2.2
熔點
1650（±75）°C
沸點
2230°C
溶解度
0.012 g/100ml
分子結構
四方晶系
能隙
9eV
16
3-4 掃描式電子顯微鏡 (SEM)與薄膜表面結構的觀察
使用Hitachi S-4300掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM)來
進行樣品表面觀察。電子顯微鏡（Electron Microscope ,EM）一般是指利用電磁場
偏折、聚焦電子及物質作用所產生散射原理來研究物質構造及微細結構的精密儀
器。電子顯微鏡可放大萬倍等級遠遠優於光學顯微鏡的千倍等級。
SEM的原理是電子槍透過熱游離或是場發射原理產生高能電子束，經過電磁
透鏡組後可將電子束聚焦在樣品上。成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸
收電子…等等。電子槍發射高能量電子以其交叉般作為電子源，經二級聚光鏡及
物鏡的縮小通過一組控制電子束的掃描線圈，聚焦電子束與樣品相互作用，產生
二次電子發射（以及其他物理信號），二次電子發射量隨樣品表面形貌而變化。
二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經放大後輸入到顯像管，再調整與入
射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映樣品表面形貌的二次電子像。電子顯
微鏡主要構造有電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、接物透鏡、偵測器、樣品室、影
像管、真空系統。若加裝能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer；EDS)系
統，則可以偵測特徵X光作材料元素成分分析。[32]
圖3-6 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖
17
表 3-2 各種顯微術的比較[37]
光學
掃瞄式
穿透式
掃瞄探針
顯微術
電子顯微術
電子顯微術
顯微術
最高解析度
300nm
1nm
原子級
原子級
成像環境
無限制
真空
真空
無限制
手續複雜
無
有
有
觀察表面需
樣品製備
無
導電
成分分析
有
有
18
第四章 MIS 元件製作
4-1 MIS 元件製作流程之介紹
1. 晶片切割及清洗
將6吋的Si晶片，以晶片切割機型號Karl Suss RA120，平行或垂直晶面切割成
大小適中的正方形或矩形，再將晶片依序使用以下步驟清洗:
(1) 將晶片浸入丙酮1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪1分鐘，目的清除晶
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1分鐘，目的清除晶
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1分鐘，目的清
除殘餘的甲醇，然後用氮氣吹乾。
(4) 由於晶片表面會產生氧化，因此將晶片浸泡入BOE中2分鐘去除氧化層。
(5) 最後以去離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。
2. 沉積電極
利用ULVAC電子束蒸鍍機，在切割好的晶片上蒸鍍一層約2000Å 之Al，主要
目的為當作MIS元件的電極層。電子束蒸鍍系統藉由機械幫浦粗抽到10-3 Torr真空
度，再使用冷凍幫浦 (Cryo-pump) 從10-3 Torr抽到10-6 Torr來達到高真空度，高真
空系統利於沈積品質。可控制電子束能量來加熱在石墨坩堝中的靶材，為了得到
較為緊密的薄膜，故沈積速率控制為每秒0.8Å ～1.5Å 。製程如圖4-1。
19
0.2μm
Al
Substrate
圖4-1 成長Al製程圖
3. 光阻塗佈
(1) 採用安智公司製造負光阻AZ P4210塗佈，STEP1的轉速為6000rpm，STEP2
的轉速為6200rpm，塗佈後正光阻的厚度約為2.0μm。
(2) 為了硬化光阻表面，故放入烤箱軟烤條件為110°C 1分30秒，製程示意圖如
下(圖4-2)。
PR
2.0μm
Al
0.2μm
Substrate
圖4-2 光阻塗佈製程圖
4. 曝光
使用Karl Suss-MA45曝光機(圖4-5)，汞燈的波長為365nm，250W，實際曝光
強度為
⁄
，曝光時間為13秒，光罩圖形即為MIS圖形(圖4-3)，製程示意圖(圖
4-4)如下。
20
圖4-3 光罩圖示意圖
PR
2.0μm
Al
0.2μm
Substrate
圖4-4 曝光製程圖
圖4-5 Suss-MA45曝光機
5. 顯影
首先將晶片進行定影步驟：放入烤箱軟烤條件為 110°C 30 秒，後使用安智公
司製造正顯影液 400K：DI water = 1：4，顯影後放入去離子水內，將殘餘的顯影
21
液洗乾淨，然後用氮氣槍吹乾，用顯微鏡觀察圖形是否良好，製程如圖 4-6。
PR
PR
Al
2.0μm
0.2μm
Substrate
圖4-6 顯影製程圖
6. 濕式蝕刻
將晶片於實驗室溫度18°C下，使用誠信化學公司製造的鋁蝕刻液浸泡並攪拌6
分鐘，鋁蝕刻液中的醋酸為緩衝液，硝酸會將鋁氧化，而磷酸則是將氧化鋁溶解
達到蝕刻效果，製程如下圖4-7。
PR
PR
2.0μm
Al
Al
0.2μm
Substrate
圖4-7 濕式蝕刻製程圖
7. 光阻剝離
將晶片取出再依序利用丙酮浸泡、甲醇、去離子水，進行光阻剝離的製程。
因丙酮對PR有強烈的溶蝕性，但對Al無任何的反應，再使用甲醇稀釋表面丙酮，
最後去離子水清洗。製程如下圖4-8
22
Al
Al
0.2μm
Substrate
圖4-8 光阻剝離製程圖
8. 二次對準
如同上述步驟3～5，我們同樣必頇使用正光阻AZ P4210塗佈和軟烤110°C1分
30秒，接著再進行第二次的曝光與顯影，曝光顯影完成後，將Al電極層披覆起來。
製程如圖4-9。
Al
PR
2.0μm
Al
0.2μm
Substrate
圖4-9 二次對準製程圖
9. 成長SiO2層
如同步驟2，利用ULVAC電子束蒸鍍機沈積SiO2層，差異在於SiO2為非金屬，
較難堆疊，為求沉積結構比較好，將沉積速率控制為每秒0.5Å ～0.8Å 。本實驗厚
度分冸有1000 Å 、1400 Å 與2000 Å 三種厚度。製程如圖4-10。
23
SiO2
SiO2
Al
PR
SiO2
Al
Substrate
圖4-10 成長SiO2層
10. 光阻剝離
將晶片取出再依序利用丙酮浸泡、甲醇、去離子水，進行光阻剝離的製程。
因丙酮對PR有強烈的溶蝕性，但對SiO2無任何的反應，浸泡後SiO2層會被存留下
來，之後使用甲醇稀釋表面丙酮，最後去離子水清洗。製程如下圖4-11。
SiO2
Al
SiO2
Al
Substrate
圖4-11 堆疊SiO2層
11. SiO2層退火
為了讓SiO2與Al層堆疊較為緊密，將步驟10完成之晶片，使用電壓式加熱退火
爐進行退火，利用電壓將溫度提升至400°C，退火時間約10分鐘，再降回室溫，全
程約30分鐘。
24
12. 成長Al導電層
如同步驟2條件，利用ULVAC電子束蒸鍍機沈積Al導電層，沉積厚度為2000 Å，
沈積速率控制為每秒0.8Å ～1.5Å 。製程如圖4-12。
Al
SiO2
Al
Al
SiO2
Al
Al
Substrate
圖4-12 堆疊SiO2層
13. 三次對準
如同上述步驟3～5，我們同樣必頇使用正光阻AZ P4210塗佈和軟烤110°C1分
30秒，接著再進行第三次的曝光與顯影，曝光顯影完成後，將部分Al導電層披覆
起來。製程如圖4-13。
Al
SiO2
Al
PR
Al
SiO2
Substrate
圖4-13 三次對準製程圖
25
PR
Al
Al
14. 濕式蝕刻
如同上述步驟6，將晶片於實驗室溫度18°C下，使用誠信化學公司製造的鋁蝕
刻液浸泡並攪拌6分鐘，鋁蝕刻液中的醋酸為緩衝液，硝酸會將鋁氧化，而磷酸則
是將氧化鋁溶解達到蝕刻效果，製程如下圖4-14。
PR
SiO2
Al
Al
SiO2
PR
Al
Al
Substrate
圖4-14 濕式蝕刻製程圖
15. 光阻剝離
將晶片取出再依序利用丙酮浸泡、甲醇、去離子水，進行光阻剝離的製程。
因丙酮對PR有強烈的溶蝕性，但對Al無任何的反應，再使用甲醇稀釋表面丙酮，
最後去離子水清洗。製程如下圖4-15，此時，本實驗所製作Al/SiO2/Si MIS元件製
作完成。
SiO2
Al
Al
SiO2
Al
Al
Substrate
圖4-15 Al/SiO2/Si MIS元件圖
26
16. 電極金屬退火
為 了 讓 堆 疊 材 料 之 間 ， 以 及 與 基 板 間 有 良 好 的 歐 姆 接 觸 ， 使 用 ULVAC
MILA-3000 RTA快速退火機(圖4-16)，退火溫度為450°C。熱處理（Annealing）是
一種在金屬冶煉上，應用極為廣泛的一種材料加工技術，其原理是利用熱能，將
物體內產生內應力的一些缺陷加以消除，或令不均勻的雜質擴散，而所施的能量
將增加晶格原子及缺陷在物體內的振動及擴散，使原子的排列組合得以重整，物
體得以藉由缺陷的消失而進行再結晶（Recrystallization），甚至成為單晶的晶體。
一般的退火過程，大致上可以以溫度的高低區分為三個階段：(1)復原(recovery)，
(2)再結晶(Recrystallization)，(3)晶粒的成長(Grain Growth)，當退火溫度較低時，
因為熱能所提供的能量僅足以讓所含的缺陷（如差排… ），進行分佈的重整以達
到較穩定的狀態，但無法對晶粒的結構產生任何的變化，所以對物體的內應力，
只能做些微的調整，且影響物體的機械性質不大。這個階段，稱之“復原”。如果退
火的溫度加高，使物體內的缺陷得以因原子結構的重排而降低，進而產生無差排
(Dislocation Free)缺陷的晶粒時，這時退火的階段便稱為再結晶。經再結晶的物體，
其內應力將應差排及缺陷的密度的降低而急遽的下降(材料的硬度，通常是本身內
應力強弱的一種指標)。如果退火溫度再增加，使得再結晶階段所形成的晶粒有足
夠的能量克服晶粒間的表面能(Surface energy)，晶粒將開始再消耗小晶粒的過程中
成長，壯大，此為“晶粒成長”。而隨著晶粒介面缺陷的消失，物體的內應力將進一
步的降低，故整個退火的速率，完全取決於溫度的高低，溫度越高材料所需進行
退火的時間也就越短。而關於金屬矽化物的退火，因減低材料缺陷機制中，缺陷
(defect)及差排(dislocation)會改良材料的電子特性，在積體電路製程中，使用適當
的熱處理不但可藉由自我對準(self-aligned)的矽化反應（Silicide Reaction）形成金
屬矽化物，亦可增加金屬矽化物的電子特性，降低電阻率，以減少RC 延遲的影響，
增加電子電路的工作效率。當晶粒成長時，將導致合金內成分重組，有時會改變
結構而形成不均勻之組成為使熱處理過程中，為了不改整體材料之成分特性及減
27
少不均勻現象，故有快速升溫及降溫之處理步驟。
圖4-16 ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機
4-2 電子束蒸鍍系統
電子束蒸鍍機的基本構造是將真空蒸鍍室抽真空，對欲鍍物以電子槍轟擊加
熱，使之氣化分解進而擴散到達機材，到達薄膜沈積的目的。IC製程中，鋁被採
用在金屬薄膜製程中，用加熱的方式用來沉積鋁金屬薄膜的方式也被廣泛的使用。
電子束蒸鍍系統的開發就是為了要沉積高純度的薄膜。其工作的原理是先利用電
流加熱燈絲，而處於高熱的燈絲容易游離出電子，進而燈絲尖端放電，高直流電
壓下產生電子束，由於電子帶有電荷，所以可以施以電場加速，亦即施以V電位差，
則電子束所擁有的動能1/2mev2=eV，me為電子質量，v為電子之速度，一般V為5kV
到15kV，設V為10kV，則電子速度可高達6×104km/sec，如此高速電子撞擊在膜材
料上將轉換成熱能，溫度可高達數千度。而把鍍膜材料蒸發成氣體蒸鍍到樣品上。
[28]
電子束蒸鍍技術之特點：
優點：
(1)容易控制蒸鍍速率：在蒸鍍金屬厚度的控制上，電子束蒸鍍技術採用石英
震盪片（crystal）來偵測蒸鍍速率以及膜厚，其原理是在Crystal地方加上一組
28
5MHz的電源，其由膜厚機所提供，當下電極的部位沉積一些金屬層之後，由
於壓電效應的原故，造成輸出信號的改變，利用其變化量去折算目前的鍍率
及膜厚。可利用電子槍的燈絲尖端放電，電流控制金屬的蒸鍍速率，當蒸鍍
速率降低時，即可得到較緻密的膜。
(2)膜品質較高：因電子束直接加熱在膜材料尚且一般裝膜材料坩堝之鎗座都
有水冷卻，因此比起熱電阻加熱法污染較少，膜品質較高。
(3)可蒸鍍靶材樣品多：由於電子束可加速到很高能量，一些膜性良好的氧化
膜在熱電阻加熱法中不能蒸鍍的，在此皆可。
(4)多層膜的蒸鍍：在真空腔體底部有放置轉盤，可在坩鍋中放置不同靶材，
在腔體不破真空且不使靶材氧化的前提下，可以作多層膜的蒸鍍。
(5)鍍膜厚度分佈的均勻性且高精度量產的規模：電子束蒸鍍技術的靶材蒸發
方式，屬於點放射狀蒸鍍，若擴大電子束之掃描範圍，亦即增加蒸發源面積，
且樣品放置在圓弧載盤上，使石墨坩鍋中靶材蒸發點到載盤各個樣品的距離
固定，單位面積、單位時間通過的氣相原子數相同，有助於提高鍍膜厚度分
佈的均勻性與高精度量產的蒸鍍技術。
缺點：
(1)若電子束及電子流控制不當會引起材料分解或游離，前者會吸收，後者會
造成基板累積電荷而造成膜面放電損傷。
(2)對不同材料所需之電子束的大小及掃描方式不同，因此鍍膜過程中所使用
不同膜材料時必頇不時調換。
(3)對於昇華材料或稍溶解集會蒸發之材料，及某些氟化物、硫化物等。對這
類材料電子束之大小、掃描振幅與頻率都需加大、或者把此類材料事先壓製
成塊，否則其蒸發速率及蒸發分佈不穩定，此對於膜厚的均勻性影響很大。[29]
29
圖4-17 電子束蒸鍍系統之示意圖
圖4-18 電子束加熱圖[30]
圖4-19 電子束蒸鍍系統實體圖
30
表 4-1 Density 與 Z-ratio data
MATERIAL
MELT-ING
DENSI-TY
Temp°C
g/cm3
SYMBOL
Z-RATIO
Silicon Dioxide
SiO2
1610
2.202
1.07
Aluminum
Al
660
2.70
1.08
4-2-1 鍍膜沈積技術介紹
薄膜之製作技術，一般可分為兩大類，分冸是氣相鍍膜和液相鍍膜法。氣相
鍍膜又可分為物理氣相（PVD）和化學氣相（CVD）法。前者是指以物理方法將
材料之組成原子氣化後，在沉積於基板上形成薄膜，包含如真空蒸鍍（vacuum
evaporation）、雷射剝蝕（laser ablation）等法。化學氣相法則是將組成元素先形
成易揮發的化學分子，此氣體分子再經由熱分解而在基板上沉積出薄膜，如有機
金屬化學氣相沉積法（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）等。
液相化學鍍膜則是將含有組成元素之化學溶液直接或震盪霧化後沉積在基板
上，再利用熱分解及高溫反應，以形成所需的薄膜，主要方式有溶膠—凝膠法
（sol-gel）、有機金屬鹽裂解法（MOD）等。表 4-2 為數種介電薄膜沉積方式的特
性比較。
使用物理氣相控制成長薄膜的方式又可分為：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)等。表
4-3 鍍膜技術優劣比較。電子束（Electron Beam Evaporation）蒸鍍系統因為可以在
常溫下鍍膜，並且擁有高沈積速率、大面積，同時選擇多樣靶材；因本文研究中，
需要蒸鍍多個靶材，為了效益便予以採用此蒸鍍系統。實驗則是對二氧化矽（SiO2）
、
鋁金屬(Al)材料進行蒸鍍，並將薄膜沈積於 p-type Si（100）晶片上，研究其薄膜
31
對光譜產生之光電子效應響應。進而完成光偵測器(Photo-detector)，使用不同頻譜
的光 450 nm-1000nm 照射下之 I-V 特性、光響應度(Responsivity)，以探討光電子應
用在不同光波段之檢測。[18]
表 4-2 幾種介電薄膜沉積方式的比較[4]
方法
優缺點
應用
MOCVD
優良的階梯覆蓋性
優良的均勻度
高密度的元件
困難的過程
Sol-Gel MOD
過程簡單
低成本
成分容易控制
差的階梯覆蓋性
中低密度的元件
Sputtering
中等的階梯覆蓋性
低的鍍膜速度
困難的過程
中低密度的元件
PLD
過程簡單
中等的階梯覆蓋性
鍍膜面積較小
研究方面
LSMCD
優良的階梯覆蓋性
優良的均勻度
單一的先驅物
簡單的過程
高密度的元件
32
表 4-3 薄膜製作技術優劣比較[18]
磊
晶
成
長
可
沉
積
薄
膜
高
沈
積
速
率
V
V
V
大
面
積
低
基
板
溫
度
低
製
成
本
材
料
變
換
性
V
V
V
V
V
V
脈衝雷射濺鍍
(Pulse Laser Deposition)
磁控濺鍍
(Magnetron Sputtering
V
Deposition)
離子束濺鍍
(Ion Sputtering Deposition)
V
V
V
V
電子束蒸鍍
(Electron Beam Evaporation)
V
V
V
V
分子束磊晶
(Molecular Beam Epitaxy)
V
V
V
V
V
有機金屬化學氣相沈積
(Metal Organic Chemical Vapor
Deposition)
33
V
V
V
4-3 鋁(Al)導電材料特性
鋁（Aluminium或Aluminum）是一種化學元素，屬於硼族元素，其化學符號是Al，
原子序數是13。相對密度是2.70。鋁原子以立方晶格排列。鋁是一種較軟的易延展
的銀白色金屬。鋁是地殼中第三大豐度的元素（僅次於氧和矽），也是豐度最大
的金屬，在地球的固體表面中占約8%的質量。鋁金屬在化學上很活躍，因此除非
在極其特殊的氧化還原環境下，一般很難找到游離態的金屬鋁。鋁因其低密度以
及耐腐蝕（由於鈍化現象）而受到重視。利用鋁及其合金製造的結構件不僅在航
空航太工業中非常關鍵，在交通和結構材料領域也非常重要。最有用的鋁化合物
是它的氧化物和硫酸鹽。
鋁是輕金屬，密度僅是鐵三分之一左右。純鋁較軟，在300℃左右失去抗張強
度，熔點660.4度。經處理過的鋁合金較堅韌、易延展。有著金屬光澤，光滑時表
面銀白而發亮，粗糙時呈暗灰色。無磁性且不易點燃。反射可見光能力強（約92%），
反射中遠紅外線可達98%。純鋁的強韌度為7～11MPa，而鋁合金可達200～600MPa。
鋁很容易被加工，切割，塑形；有良好的導電導熱性（都為銅的59%），而遠輕於
銅。鋁可以在低於1.2K 的溫度和磁通量大於100高斯下超導。
4-3-1 Al/Si 合金接觸電極製作
使用電子束蒸鍍系統，蒸鍍鋁(Al)電極於 Si 基板上。系統真空度：10-6 torr，
蒸鍍速率：每秒 0.8 Å ～1.5 Å ，電極厚度：2000 Å 。完成蒸鍍後，再將基板置入高
溫爐中，運用退火機制：預熱溫度 250°C、預熱時間 10 分鐘；退火溫度 400°C、
退火時間 20 分鐘。來使鋁(Al)與矽(p-Si)接面，從蕭特基接觸轉為歐姆接觸。圖 4-20
為蕭特基接觸，圖 4-21 為退火後歐姆接觸。
34
圖4-20 Al/Si未退火I-V圖
圖4-21 Al/Si退火後I-V圖
35
第五章 實驗結果與分析
5-1 量測系統簡介
5-1-1 電流-電壓量測系統
將製備完成的晶片架設在探針座上，並使用HP4145B半導體參數分析儀提供
電壓並量測電流變化，搭配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。儀器架設如
圖5-1。
圖5-1 電壓-電流量測系統
圖5-2 HP4145B機台外觀
36
圖5-3 量測平台與探針座
圖5-4 I-V量測圖
5-2 退火對薄膜表面結構之影響分析
本實驗的 MIS 元件為 Al/SiO2/Si(P-type)，我們嘗試在 SiO2 層堆疊後進行退火
及未退火兩種製程；分冸為圖 5-5 SiO2 層未退火之 MIS device 及圖 5-6 SiO2 層退火
之 MIS device。透過 I-V 量測曲線，在正電壓下，可以發現 SiO2 層為退火晶片在
照光時，達鋸齒狀曲線前，電流會多一段階梯狀的上升趨勢，而 SiO2 層經過退火
的晶片則平緩上升。未經退火者，因為製程上的堆疊成長不完美，而產生結構上
37
有缺陷，當照光給予能量時，便透過缺陷產生了中間一段電流上升的現象；反之，
經過退火者，排列較為緊密，缺陷相對減少 ，電流趨勢平緩上升，而後才有一段
因電壓過大，導致 SiO2 的漏電流電壓所產生的鋸齒狀曲線，被有效的阻隔，而光
照下電荷庫倫堵塞，形成量子穿隧效應電流隨電壓上升。
圖5-5 SiO2層未退火之MIS device I-V曲線
圖5-6 SiO2層經退火之MIS device I-V曲線
38
5-3 電流-電壓特性量測
藉由能階示意圖 5-7 輔助說明光電流的產生，當在 Al 金屬導電層施予負電壓
(V<0)時，會使得半導體層(P-type Si)能帶上彎，能障降低，且在下方累積多數載子
電洞；相對應的電子在加上照光給予能量時，能量大於半導體 Si 的能隙，電子便
容易吸收能量到達 Ec，吸收能量的電子在 P-type Si 中相對明顯，受外加電壓產生
之電場影響，由電子產生光電流，再加上受負電壓產生之電場影響，金屬層與非
金屬層間能障變小而產生漏電流，因此，量測到的電流值也較大；此現象即可說
明圖 5-9 光譜電流圖，負電壓區所量測到的大幅電流趨勢。
藉由能階示意圖 5-8 輔助說明光電流的產生，當在 Al 金屬導電層施予正電壓
(V>0)時，會使得半導體層(P-type Si)能帶下彎，且在上方累積少數載子電子，相對
應產生的電洞受正電壓之電場影響，電洞移動而產生光電流，但在 P-type Si 中電
洞為多數載子受電壓之電場影響所移動效應不大，所以產生的光電流微乎其微。
此現象即可說明圖 5-9 光譜電流圖，正電壓區所量測電流趨勢幾近於 0。
Photoni
4.28eV
3.2eV
光電流
EF
Ec
V<0
Ei
EF
Al
SiO2
圖5-7 負電壓時能階圖
39
Ev
P-type Si
3.2eV
4.28eV
Photonic
Ec
Ei
EF
Ev
SiO2
V>0
Al
光電流
EF
圖5-8 正電壓時能階圖
圖5-9 Al/SiO2/Si光譜電流圖
40
圖5-10 Al/SiO2/Si 0～10V光譜電流圖
圖5-11 Al/SiO2/Si -10～0V光譜電流圖
41
表 5-1 高介電常數材料之性質對 MOSFET 元件的影響[27]
材料性質
材料性質對 MOSFET 效能的影響
介電層電容 Cdi↑；汲極電流 ID↑；
介電常數 k↑
臨界電壓 VT↓；轉移電導 gm↑；
通道電導 gD↑
介電層能隙 Eg↓
界面電子位障高度
介電層電子親和力 χ↑
介電層漏電流密度 Jg↑；
等效穿隧質量 mt↓
等效氧化層厚度(EOT)↑
陽離子配位數 CN↑
介面缺陷密度 Dit↑；介電層缺陷密度 Dbt↑；氧空
混成鏈結離子性 I↑
缺密度 Vo↑；通道遷移率
內部離子距離不匹配
電負度差異
↑
↑
↓；
↓；臨界電壓 VT↑；
介電層可靠度↓；汲極電流 ID↓；轉移電導 gm↓；
通道電導 gD↓
5-4 光響應度特性量測
本實驗量測光響應度時，使用光功率計(EO Laser Checker)量測，各光頻譜下
的光功率(Intensity)，圖 5-12 光功率計儀器圖，圖 5-13 為光功率與光波長關係圖。
圖5-12 光功率計儀器圖
42
圖5-13 光功率與光波長關係圖
圖5-14 CM-110單光儀儀器圖
利用光源透過單色分光儀，將不同的光波長照射在元件上，再量測元件的對光電
流值，分析光對元件的響應度。我們利用式 5-1 來計算光響應度
(公式 5-1)
R :光響應度，I :光電流，P:單位面積入射光功率，A:元件受光面積
觀察 Al/SiO2/Si 的光響應測量結果，如圖 5-15 及圖 5-16，我們發現元件受光
後的光電流響應輸出，在 0V 的時候，幾乎沒有太大的響應，要持續加電壓，才有
更好的反應，代表這個元件屬於高響應元件。
43
圖 5-15 及圖 5-16 的光響應結果，可以發現 Al/SiO2/Si 元件在紫外光區及遠紅
外光區有較高的響應，可見光區的響應較低，原因為此元件在可見光區有強的反
射率，而紫外光 300～400nm 及遠紅外 800～900nm 區反射率較低與使用圖 5-17
反射光譜儀 UV2101-PC(Shimatsu scanning spectrophotometer)，波長範圍 250nm～
900nm 所量測之反射率結果一致，如圖 5-18 所示；而 1000nm 的光響應部分則是
半導體(Si)本身的能隙所造成。
比較圖 5-15 及圖 5-16 的光響應量測結果，更可以說明在 P-type Si 中產生光電
流之差異，當照射不同波長色光下，圖 5-15 為外加正電壓，其光電流由電洞所產
生；圖 5-16 為外加負電壓，其光電流由電子所產生。
受外加正電壓產生之電場影響，電洞在 P-Si 中移動相對較難，其產生之光電
流小，而電子在 P-Si 中為少數載子，受外加負電壓產生之電場影響，能帶彎曲明
顯，金屬層能帶上升與非金屬層間的能障變小，可能產生漏電流，計算光響應時
之電流成份含有大量漏電流，導致所計算出的光響應較大，此現象恰好說明負電
壓區的光響應較正電壓區光響應大。
因為負電壓區的光響應含有漏電流之成份，並非純光電流所產生，所以此工
作區不適合作為後續應用；正電壓區所產生之電流成份扣除暗電流(無照光時之電
流)，即為純光電流，適合作為後續應用之工作區使用，因此，後續研究著重於正
電壓區之光響應分析。
44
圖5-15 Al/SiO2/Si 0～10V的光響應圖
圖5-16 Al/SiO2/Si -10～0V的光響應圖
45
圖5-17 反射光譜儀
圖5-18 Al/SiO2/Si之R(%)
本實驗 Al/SiO2/Si 光偵測器元件製程中 SiO2 層厚度分冸為 1000Å 、1400Å 以
及 2000Å ，觀察上述三者皆經過退火程序之 MIS 晶片光響應度比較，可以發現當
膜厚越薄，光響應度越好，其原因為施加電壓所產生的電場所造成的影響，當絕
緣層(SiO2)薄膜越薄，外加電壓產生的電場所造成的影響越大，光響應也隨之變大。
如下圖 5-19 SiO2 層厚度 1000Å 之光響應圖、圖 5-20 SiO2 層厚度 1400Å 之光響應
圖以及圖 5-21 SiO2 層厚度 2000Å 之光響應圖所示。
46
圖5-19 Al/SiO2/Si 1000Å 0～10V的光響應圖
圖5-20 Al/SiO2/Si 1400Å 0～10V的光響應圖
47
圖5-21 Al/SiO2/Si 2000Å 0～10V的光響應圖
48
第六章 結論與未來展望
本論文研究利用電子束蒸鍍法蒸鍍鋁(Al)、二氧化矽(SiO2)薄膜於p-type Si
(100)基板上，並利用鋁做為電極材料，同時也完成MIS元件之光偵測器製作。藉
由光照下電流-電壓之特性、不同波長的光照下電流-電壓之特性、光響應度…等光
電特性量測，以下歸納幾點結論：
1.
退火可以讓SiO2的結晶性變好，讓MIS結構特性明顯，並利於產生光電流
機制。
2.
由實驗結果發現，Al/SiO2/Si MIS 光偵測元件之光響應中，可以有效抑制
白光(500～800nm)，其原因是 Al/SiO2 薄膜在此波段有強反射率，入射光
幾乎被反射掉；而在紫外光(400～500nm)及遠紅外光(800～900nm)有不錯
的光響應度，其原因是 Al/SiO2 薄膜在這兩個波段的反射率較低，入射光
能夠有效產生電子-電洞對，受介面電場影響產生光電流；至於 1000nm
部分為矽本身之能隙所造成，由此結果可作為檢測紫外線強度或生命溫
度感測之應用。
3.
光響應度隨著膜厚越薄，光響應度越好，推斷原因可能是絕緣層寬度越
小，介面電場越大對能帶彎曲幅度影響越大，並增加光電流的產生。
49
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