-
崑 山 科 技 大 學
電子工程系二技部
專 題 研 究 報 告
以電流-電壓方法分析
銅/磷化銦之蕭特基結構
學生: 林仕賢
指導教授: 黃文昌 老師
中 華 民 國 九 十 五 年 五 月
-
I
摘要
本研究將銅以熱蒸鍍法沉積於磷化銦基板表面,以製作
蕭特基二極體。本文將比較在不同退火溫度下,以 XRD 量測
銅/磷化銦二極體的結構變化,進而在以 I-V 方法來求算出
在不同退火溫度下銅/磷化銦二極體的順向電流、逆向漏電
流及能障高度與理想因子的變化。
實驗結果發現,未退火之銅/磷化銦二極體擁有最佳的
整流特性及較高的能障高度,其中能障高度達 0.49eV,然而
隨著退火溫度的增加,能障高度降低、理想因子提高,可以
懷疑是銅擴散進入磷化銦基板所導致。若是在銅及磷化銦基
板間加入一層擴散阻擋層,將能使銅/磷化銦二極體有更好
的整流特性。
-
II
目 錄
摘要……………………………………………………………………I
目錄……………………………………………………………………II
圖表目錄……………………………………………………………IV
第一章 緒論…………………………………………………………1
1.1蕭特基二極體…………………………………………………1
1.2 專題動機……………………………………………………………2
第二章 蕭特基接觸原理……………………………………………3
2.1 蕭特基接觸…………………………………………………………3
2.2 蕭特基接觸 I-V 特性原理………………………………………7
2.3 蕭特基接觸 C-V 特性原理…………………………………………9
第三章 薄膜成長模式……………………………………………11
3.1薄膜成長機制………………………………………………………11
第四章 熱蒸鍍技術………………………………………………13
4.1熱蒸鍍系統…………………………………………………………13
第五章 實作方法……………………………………………………16
5.1製程步驟……………………………………………………………16
結構圖…………………………………………………………………17
第六章 結果與討論………………………………………………18
-
III
6.1 銅/磷化銦蕭基二極體物性分析…………………………………18
6.2 銅/磷化銦蕭基二極體電性分析…………………………………18
6.3討論…………………………………………………………………18
參考文獻………………………………………………………………28
-
IV
圖表目錄 圖2.1 在熱平衡與非熱平衡下,一孤立金屬靠近一孤立 n型半導體之能帶圖…5
圖 2.2 金屬-矽與金屬-砷化鎵兩種接觸的能障高度測量值……………………5
圖 2.3 不同偏壓情況下,金屬與 n型與 p型半導體接觸之能帶圖………………6
圖 2.4 W-Si 與 W-GaAs 二極體的順向電流密度對應外加電壓圖………………8
圖2.5 鎢-矽(W-Si)與鎢-砷化鎵(W-GaAs)二極體之1/C2對應外加電壓圖……10
圖 3.1 薄膜成長示意圖……………………………………………………………12
圖 4.1 熱蒸鍍機架構圖……………………………………………………………14
圖 4.2 蒸鍍機之真空腔示意圖……………………………………………………15
結構圖………………………………………………………………………………17
圖 6.1(a)~(g) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖 未退火~550℃……………20~23
圖 6.2 Cu/InP 在不同退火溫度下的順向電壓-電流特性……………………24
圖 6.3 Cu/InP 在不同退火溫度下的反向電壓-電流特性……………………25
圖 6.4 Cu/InP 在不同退火溫度下的電壓-電流密度特性………………………26
圖 6.5 不同退火溫度下,能障高度的變化……………………………………27
-
1
第一章 緒 論
1.1 蕭特基二極體
蕭特基二極體為一金屬-半討體接觸之元件,藉由金屬和
半導體接觸後產生的能障,使得蕭特基二極體具有整流特
性,蕭基二極體之兩大特點為:速度快與低電壓。蕭特基二
極體的最大優點是為一多數載子傳導半導體元件,其電荷傳
輸僅利用半導體中的多數載子,因為沒有少數載子聚集在接
合處,不會產生雙極性元件的少數載子儲存現象,所以不會
造成時間上的延遲,使的蕭特基二極體有著較佳的高頻響
應。
通常順向偏壓之蕭基二極體上所跨之電壓大約為矽 PN
接合二極體的一半,所以蕭基二極體更接近於理想二極體。
磷化銦與砷化鎵為基板作比較,其具有較低的電子撞及游離
係數和較高的熱傳導係數、效率、累增崩潰,而且,磷化銦
相對於其他的半導體材料在低電場時具有較高的電子移動
率和較高的電子峰值速率。而銅具備低電阻和較優良的抗電
子遷移特性,銅在室溫時電阻係數僅為 1.7 微歐姆-公分在
金屬中僅次於銀,而高抗電子遷移可以使元件具有更高的壽
命及穩定性。
-
2
1.2 專題動機
基於磷化銦及銅的各項優點,我們將探討銅/磷化銦的
蕭特基接觸與介面之微結構,在本研究中我們將致力於金屬
Cu 在 InP 上的接觸研究,經過熱退火處理後,分析其電流電
壓(I-V),以及用各種不同的分析儀來研究其介面微結構。
-
3
第二章 蕭特基接觸原理介紹
2.1 蕭特基接觸
當金屬與半導體接觸時,界面間會有內建電場形成,金屬內之電
子欲傳導至半導體時,會遭受一能障阻礙,此及蕭特基能障(Schottky
barrier)。
以 n 型半導體為例,理想狀況下能障高度 Bnqφ 即為金屬功函數與
半導體電子親和力間之差:
χφφ qqq mBn −=
在圖 1.1(b)中半導體側,Vbi為電子由半導體導電帶上欲進入金屬
時將看到的內建電位。
nBnbi VV −= φ
qVn為導電帶之底部與費米能階間的距離。
如圖2.1為 n型矽與n形砷化鎵所測得的能障高度。需注意qψBn
隨著 qψm升高而升高,然而依存性卻沒預測的這麼強。這是因為實際
的蕭特基二極體,由於在半導體表面的晶格中斷,產生大量位於禁止
能隙的表面態位。這些表面態位可以充當施體或受體,而影響最終的
能障高度。
圖 2.2 為不同偏壓情況下,金屬在 n 型及 p 型半導體上的能帶
圖。先探討 n 型半討體。當偏壓為零時如圖 2.3(a)左側所示,能帶
-
4
圖楚於熱平衡的情況下,兩種材料具有相同的費米能階。如果我們施
加順向偏壓,如圖 2.3(b)左側所示,則半導體到金屬之能障高度將
變小,使的電子變的容易由半導體進入金屬。而如果施加逆向電壓,
將使能障提高,如圖 2.3(c)左側所示。對電子而言,要從半導體進
入金屬將更為困難。對 p型半導體而言,可以獲得相似的結果,不過
極性相反。
-
5
圖 2.1 (a)熱的非平衡情形下,一孤立金屬靠近一孤立 n型半導體之能帶圖,
(b)熱平衡時金半接觸的能帶圖。
圖 2.2 金屬-矽與金屬-砷化鎵兩種接觸的能障高度測量值。
-
6
圖 2.3 不同偏壓情況下,金屬與 n型與 p型半導體接觸之能帶圖。(a)熱平衡,
(b)順向偏壓,(c)逆向偏壓。
-
7
2.2 蕭特基接觸 I-V 特性原理
蕭特基二極體電流傳導主要由多數載子所決定,對金屬/n 型半
導體二極體而言,電流主要為半導體側熱離子放射出之載子,越過半
導体與金屬間之 Vbi能障所構成。
蕭特基接觸的 I-V 特性,由熱離子發射模型描述
其中 J:電流密度
Js:飽和電流密度
V :偏壓
n :理想因子
A*:有效李察遜常數
q:電荷
k:波茲曼常數(Boltzman constant)
T:絕對溫度
:蕭特基能障
如圖 2.4,若將 ln(J)對 V 作圖,可得一直線,由斜率得到理想因子
]1)/[exp( −= nkTqVJJ s
)exp(2*kTqTAJ bsφ−
=
]1)/)[exp(/exp(2* −−= nkTqVkTqTA bφ
bφ
-
8
n
能障高度 可藉由 ln(J)對 V 圖中,當 V=0,特性曲線之交點得到的
Js 求得。
圖 2.4 W-Si 與 W-GaAs 二極體的順向電流密度對應外加電壓圖。
)](ln/[/ JddVkTqn =bφ
sb J
TAq
kT 2*ln=φ
-
9
2.3 蕭特基接觸 C-V 特性原理
電容-電壓之關係
當 V>>q
kT時,空乏電容與偏壓之關係為
其中 C:空乏區電容
V:外加電壓
Vbi:內建電壓
N:施體摻雜濃度
sε :半導體介電常數
若半導體為均勻摻雜,則 21
C對 V 作圖為一直線,如圖 2.5,此直線
於 V 軸之交點為內建電位
能障高
C:每單位面積之空乏層電容
NC:導電帶之有效態位密度
ND:施體參雜濃度
Ds
bi
NqVV
C ε)(21
2
−=
)ln(D
Cbib N
Nq
kTV −=φ
-
10
圖 2.5 鎢-矽(W-Si)與鎢-砷化鎵(W-GaAs)二極體之 1/C2對應外加電壓圖。
-
11
第三章 薄膜成長模式
3.1 薄膜成長機制
薄膜成長機制如圖 3.1 所示,可分為以下幾個步驟:1.長晶
(nucleation);2.晶粒成長(grain growth);3.晶粒聚結
(coalescence);4.縫道填補(fitting of channels);5.沉積膜成長
(film growth)。
在長晶時粒子或原子物理性的吸附在基板表面,這些吸附原子可能與
其他吸附原子因交互作用,而將多餘的凝結能釋出,且在基板表面形
成穩定的核團,之後化學性或物理性的吸附在表面上,經脫付而進入
原來的氣相。當吸附原子在表面具結成體積較大的核團之後,所形成
的核團半徑如果沒有大於臨界值,此時的整體自由能成上升趨勢,則
核團今不穩定,將會從基板表面消失,並回到氣相;假設該核團的半
徑大於此一臨界值,則核團將繼續存在於基板表面,並且繼續吸收更
多的吸附原子而成長,此一決定核團能否在表面存在的半徑臨界值,
稱為臨界半徑。當穩定的晶粒在基板上形成後,便進入了薄膜成長的
下一階段"晶粒成長",此時晶粒將與氣相中傳來的粒子碰撞而成長
為更大的晶粒。當個別獨立的晶粒成長大到於與其他晶粒接觸時,便
進入了"晶粒聚結"階段。晶粒在持續擴大時,晶粒之間的縫道也會
陸續被填滿,最後基板上便形成了一連續的薄膜。
-
12
圖 3.1 薄膜成長示意圖 1.長晶(nucleation);2.晶粒成長(grain growth);3.
晶粒聚結(coalescence);4.縫道填補(fitting of channels);5.沉積膜成長
(film growth)。
-
13
第四章 熱蒸鍍技術
4.1 熱蒸鍍系統
在熱蒸鍍系統中,是以電流通過鎢舟形成高熱,此時放至於烏舟
中的鈀材(本實驗中為銅)將被加熱氣化蒸發,並且凝結於基板表面形
成薄膜。
不論要蒸著的材料為何或使用的設備為何,下列的真空蒸著程序
是典型的:
1.自晶圓上除去所有污染物,在乾燥之。
2.將晶圓放入真空室中適當位置以得到均勻膜。
3.關上真空室,粗抽至 10-3torr。
4.打開高真空唧筒閥,並抽至所要的真空程度
5.打開烏舟電流源,將材料源與晶圓間的遮板放下,將把材加熱至融
化,並等待數分鐘,待鈀材上的汙染物大莫蒸發完。
6.打開遮板,調整電流大小,使蒸鍍速率到達所需要求(電流越大越
快)。
7.待晶圓上的薄膜到達所需厚度時,關掉電流源,等待晶圓冷卻至室
溫。
8.破真空,以惰性氣體充填真空室,打開真空腔取出晶圓。
-
14
圖 4.1 熱蒸鍍機架構圖。
-
15
圖 4.2 蒸鍍機之真空腔示意圖。
-
16
第五章 實作方法
5.1 製程步驟
1.本實驗的使用 InP 作為基板。
2.以蒸鍍系統,將 AuGeNi 鍍在的 InP 背面作歐姆接觸
3.將做好歐姆接觸的試片退火 400℃ 3min。
4.Clean 步驟:
(1)將退火後的樣本浸泡丙酮 3 分鐘。
(2)將浸泡完丙酮的樣本以去離子水沖洗乾淨。
(3)浸泡甲醇 3分鐘。
(4)將浸泡完甲醇的樣本以去離子水沖洗乾淨
(5)將樣本浸泡於 H2SO4(98%) 3 分鐘。
(6)接著以 D.I 去離子水沖洗乾淨。
(7)將樣本取出並以 N2吹乾。
5.將 clean 好的樣本放置於真空蒸鍍機中,以特製的 mask 將銅沉積
於 InP 表面,厚度為 1000Å。
‧ 將鍍銅之後的試片取出,並將樣本裁切成適當大小(XRD 樣本必
須有 1x1 cm2大)。
‧ 將試片送至退火爐中退火,退火溫度:300℃、350℃、400℃、
450℃、500℃、550℃各 3分鐘。
-
17
結構圖
在 InP 背面鍍上AuGeNi 做歐姆接觸。
在 InP 正面蒸鍍上 Cu 做蕭特基接觸。
-
18
第六章 結果與討論
6.1 銅/磷化銦蕭基二極體物性分析
圖 6.1 為銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖,其中(a)~(g)為未退
火、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃。
可以發現銅在退火之後與磷形成了磷化銅化合物。
6.2 銅/磷化銦蕭基二極體電性分析
圖 6.2 及圖 6.3 為以蒸鍍技術製作之銅/磷化銦蕭特基二極體在
不同退火溫度的電壓-電流特性比較圖,其中圖 6.2 為施加順向偏
壓、圖 6.3 為施加逆向偏壓。我們可以發現,未退火的試片有最好的
整流特性及最小的漏電流。隨著退火溫度增加,順向電流的增加幅度
趨緩,漏電流也漸增。
圖 6.4 為順向偏壓下,將電流密度取對數的 I-V 特性圖。我們可
以藉著此圖求出各個退火溫度下的能障高度及理想因子。
圖 6.5 為不同退火溫度下,能障高度及理想因子的變化。我們可
以發現未退火時擁有最佳的蕭基接觸,但退火溫度增加時,理想因子
n 漸大,能障高度漸小。
6.3 討論
這可能是由於銅擴散進入磷化銦所導致。因為同具有高度的擴散
性,為了預防銅藉由擴散方式進入磷化銦基版之中而造成漏電,同時
-
19
也為了避免銅與磷化銦產生反應,因此我們可以在銅與磷化銦之間度
上一層阻擋層,相信可以讓此依蕭基二極體有更好的整流特性。可以
考慮得阻擋層應該有的要求如下:必須能夠防止銅的擴散、具有低薄
膜阻抗、對介電層以及銅膜的附著性良好。在目前已知的材料中,以
鉭和氧化鉭具有最好的銅阻擋能力。
-
20
0
200
400
600
800
1000
25 35 45 55 65 75 85
未退火
2θ
CuIn
CuP(111)
InP(200)
Cu(111)
CuP (022)
InP(400)
圖 6.1(a) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
300℃
2θ
InP(200) InP
(400)
CuP(223)
圖 6.1(b) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
-
21
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
350℃
2θ
InP(200)
InP(400)
CuP(223)
圖 6.1(c) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
400℃
2θ
InP(200)
CuP(112)
InP(400)
圖 6.1(d) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
-
22
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
450℃
2θ
InP(200) InP
(400)
CuP(223)
圖 6.1(e) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
500℃
2θ
InP(200)
CuP(111)
InP(400)
CuP(223)
圖 6.1(f) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
-
23
0
200
400
600
800
1000
20 30 40 50 60 70 80 90
550℃
2θ
InP(200)
InP(400)
CuP(223)
圖 6.1(g) 銅/磷化銦蕭基二極體之 XRD 圖
-
24
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
未退火300℃350℃400℃450℃
Forward bias (V)
圖 6.2 Cu/InP 在不同退火溫度下的順向電壓-電流特性。
-
25
圖 6.3 Cu/InP 在不同退火溫度下的反向電壓-電流特性。
-
26
10-5
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
未退火
300℃350℃400℃450℃
Forward Bias (V) 圖 6.4 Cu/InP 在不同退火溫度下的電壓-電流密度特性。
-
27
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
0.35
0.4
0.45
0.5
0 100 200 300 400 500
理想因子n 能障高度 (eV)
退火溫度 (℃)
圖 6.5 不同退火溫度下,能障高度的變化。
-
28
參考文獻
1. 施敏,"半導體元件物理與製作技術",國立交通大學
出版社 340~352,(2002)
2. 李明逵,"矽元件與積體電路製程"全華圖書出版社,
16-4、16-12,(2004)
3. Hong Xiao,"半導體製程技術導論"學銘圖書有限公
司、歐亞書局有限公司,460,(2002)
4. 陳嘉銘,"以電泳法製備鈀/磷化銦蕭基二極體氫氣感測
器之研究",國立成功大學化學工程系,(2005)
5. 蕭榮華,"真空蒸鍍銅酞花青薄膜及其對二氧化氮氣體
感測特性之研究",國立成功大學化學工程系,(2004)
6. C.T.Leea,D.S.Liub,R.W.Dengb, “Diffusion barrier of
sputtered W film for Cu Schottky contacts on InGaP layer",Thin
Solid Films 468 (2004)216-221.
7. D.H.Zhang*,X.Z.Wang,S.F.Yoon,"Schottky contacts on wide
bandgap InGaP grown with phosphorous cracker cells and their
thermal reliability",Materials Seience and Engineering
B74(2000)143-164.
8. D.H. Zhang*,Metal contacts to n-type AlGaAs grown by
-
29
molecular beam epitaxy"Materials Science and Engineering
B60(1999) 189-193.