本實驗中以射頻磁控濺鍍法配合氮化鋁靶材，在氮化鎵基材上成長氮化鋁薄膜，並利用微影設備製做出簡單的MIS結構，來瞭解以氮化鎵為基材的MIS結構中，不同結晶性質氮化鋁薄膜作為絕緣層時，對電性表現的影響。
不同結晶性質的氮化鋁薄膜可由調整濺鍍功率、濺鍍距離及濺鍍壓力來得到。所成長的氮化鋁薄膜結晶情形以X光繞射儀來得知，以穿透式電子顯微鏡來分析氮化鋁薄膜的表面形貌、缺陷分佈及氮化鋁/氮化鎵界面的情形。
由實驗數據分析成果得知，以濺鍍距離21公分、濺鍍功率100 W、濺鍍壓力8 mtorr的條件可得到非常接近非晶質的氮化鋁薄膜。
以氮化鋁為絕緣層的MIS元件電性表現不如理想。氮化鋁絕緣層的品質及元件製作過程還需要更進一步的改善。

AlN thin films grown on GaN/Sapphire substrate by RF magnetron sputtering technique with AlN target has been studied. Simple MIS capacitor was fabricated in order to evaluate the electrical properties of AlN films that played as a insulator.
Various microstructures of AlN thin films can be obtained by controlling the growth parameters, such as sputtering powers, sputtering distances and working pressure. The microstructures of the AlN films were examined by X-ray diffraction. The observation of the surface morphology ,the distribution of defects and the interface of AlN/GaN were performed by transmission electron microscopy.
The results showed that the amorphous AlN thin films were obtained with a 21cm long sputtering working distance and under the 100W sputtering power and 8mtorr working pressure conditions.
The results of the C-V measurement indicated that the MIS device demonstrated a capacitor behavior, however a large leak current showed up in the end. The quality of the AlN films and the process procedures of MIS device still need be improved further.

目 錄

目錄……………………………………………………………………Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………Ⅷ
1. 第一章 前言………………………………………………………1
2. 第二章 實驗原理及方法…………………………………………3
2.1 氮化鋁的結構及性質………………………………………3
2.2 薄膜成長機制………………………………………………3
2.3 濺鍍的原理…………………………………………………6
2.4 射頻磁控之原理與特性……………………………………7
2.5 微影原理……………………………………………………9
2.6 MIS元件原理…………………………………………….11
3. 第三章 實驗設計及規劃………………………………………..13
3.1 實驗設備介紹………………………………………………13
3.1.1 薄膜成長設備…………………………………………13
3.1.2 元件製程設備…………………………………………15
3.2 實驗流程……………………………………………………16
3.2.1 試片清洗………………………………………………16
3.2.2 金屬層鍍製……………………………………………17
3.2.3 第一道微影…………………………………………..18
3.2.4 歐姆接觸形成處理…………………………………..19
3.2.5 第二道微影…..……………………………………....19
3.2.6 氮化鋁薄膜及金屬層的鍍製………………………..20
3.2.7 光阻掀離……………………………………………..20
3.3文獻回顧……………………………………………………..21
3.4 分析方法…………………………………………………....22
3.4.1 晶體晶面分析………………………………………..22
3.4.2薄膜表面微結構及截面結構分析…………………...22
3.4.3 薄膜厚度分析………………………………………..23
3.4.4 高頻電容電壓分析(C-V)………………...………….23
3.4.5 半導體參數儀(I-V)…………………………………23
4. 結果與討論………………………………………………………24
4.1 氮化鋁薄膜結晶性觀察……………………………………..24
4.1.1 濺鍍功率150W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁X光繞射結果………………………………………………………25
4.1.2 濺鍍功率200 W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁X光繞射結果………………………………………………………25
4.1.3 濺鍍功率100 W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁X光繞射結果………………………………………………………26
4.2 氮化鋁薄膜微結構觀察……………………………………...27
4.2.1 濺鍍功率150W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁薄膜微結構………………………………………………………28
4.2.2 濺鍍功率200 W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁薄膜微結構………………………………………………………29
4.2.3 濺鍍功率100 W、不同濺鍍壓力下的氮化鋁薄膜微結構………………………………………………………31
4.3 金屬鋁與半導體接面歐姆接觸………………………………32
4.4 MIS元件電性分析……………………………………………33
4.4.1以濺鍍功率150W所成長氮化鋁絕緣層的電性表現……………………………………………………….33
4.4.2以濺鍍功率150W所成長氮化鋁絕緣層的電性表現……………………………………………………….33
5. 結論…………………………………………………..……………35
參考文獻………………………………………………………………79


圖目錄
圖1 氮化鋁結晶結構……………………………………………….38
圖2 射頻裝置的陰極電位隨頻率變化的情形…………………….39
圖3 射頻裝置的陰極電位變化與淨電流之關係………………….40
圖4 磁控濺鍍之陰極靶面磁力線圖……………………………….41
圖5 二次電子在平面磁控濺鍍時之運動軌跡…………………….41
圖6 進行光阻塗抹的旋轉器結構側視圖…………………………..42
圖7 接觸式曝光技術的示意圖……………………………………..42
圖8 基本MIS結構示意圖………………………………………….43
圖9 未施加電壓前，理想MIS結構的能帶圖…………………….43
圖10 施加不同的電壓，MIS能帶及p-type半導體與絕緣層界面電荷的變化圖………………………………………………………………44
圖11 (a)(b)(c)分別表示施加電壓對p-type半導體與絕緣層界面感應電荷以及電容變化的情形……………………………………………...45
圖12 濺鍍系統示意圖………………………………………………46
圖13 蒸鍍系統示意圖………………………………………………47
圖14(a) 實驗流程示意圖…………………………………………....48圖14(b) 實驗元件製作流程示意圖…………………………………49
圖15(a) 第一層光罩…………………………………………………50
圖15(b) 第二層光罩…………………………………………………51
圖16在氮化鎵/氧化鋁基材上以濺鍍功率150W成長氮化鋁薄膜前後的X光繞射圖...………………………………………………..52
圖17在氮化鎵/氧化鋁基材上以濺鍍功率200W成長氮化鋁薄膜前後的X光繞射圖圖……………………………………………….53
圖18在氮化鎵/氧化鋁基材上以濺鍍功率100W成長氮化鋁薄膜前後的X光繞射圖………………………………………………….54
圖19在氮化鎵/氧化鋁基材上以濺鍍壓力8mtorr，不同濺鍍功率成長氮化鋁薄膜前後的X光繞射圖…………………………….…55
圖20在氮化鎵/氧化鋁基材上以濺鍍壓力2mtorr，不同濺鍍功率成長氮化鋁薄膜前後的X光繞射圖……………………………….56
圖21 (a) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view放大10萬倍影像圖……………...57
圖21 (b) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view選區繞射圖……………………….57
圖22(a) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section放大20萬倍影像圖………58
圖22(a) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section 選區繞射圖……………….58
圖23(a) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view放大10萬倍影像圖……………...59
圖23(b) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view選區繞射圖……………………59
圖24(a) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section放大10萬倍影像圖………….60
圖24(b) 濺鍍功率150W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section 選區繞射圖……………….60
圖25(a) 濺鍍功率200W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section放大10萬倍影像圖………61
圖25(b) 濺鍍功率200W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section 選區繞射圖……………….61
圖26(a) 濺鍍功率200W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view放大20萬倍影像圖…………..62
圖26(b) 濺鍍功率200W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view選區繞射圖……………………62
圖27 濺鍍功率200W、濺鍍壓力2mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section放大10萬倍影像圖……………….63
圖28(a) 濺鍍功率100W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view放大20萬倍影像圖………………64
圖28(b) 濺鍍功率100W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜plane-view選區繞射圖…………………….64
圖29(a) 濺鍍功率100W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section放大20萬倍影像圖…………..65
圖29(b) 濺鍍功率100W、濺鍍壓力8mtorr、濺鍍距離21cm下所成長氮化鋁薄膜cross-section 選區繞射圖………………..65
圖30 在氮化鎵上鍍製鋁，回火後進行電流-電壓量測結果………..66
圖31 兩種直徑大小的MIS元件的電容-電壓圖（上圖為1000μm，下圖為600μm，以濺鍍功率150W成長絕緣層）………………67
圖32 另兩種直徑大小的MIS元件的電容-電壓圖（上圖為300μm，下圖為200μm，以濺鍍功率150W成長絕緣層）……………68
圖33 兩種直徑大小的MIS元件的電容-電壓圖（上圖為1000μm，下圖為600μm，以濺鍍功率100W成長絕緣層）………………69
圖34 另兩種直徑大小的MIS元件的電容-電壓圖（上圖為300μm，下圖為200μm，以濺鍍功率100W成長絕緣層）……………70



表目錄
表一 氮化鋁之物理化學特性…………………………………………71
表二 各參考文獻中濺鍍參數對實驗結果的影響……………………72
表三 以氮化鋁為金氧半場效電晶體絕緣層之相關文獻整理………74
表四 成長氮化鋁薄膜濺鍍參數列表…………………………………75
表五 氮化鋁之X光繞射資料…………………………………………76
表六 氮化鎵之X光繞射資料…………………………………………76
表七 氧化鋁之X光繞射資料…………………………………………77
表八 氮化鋁氮化鎵和氧化鋁結晶繞射環對照表……………………78

參考文獻
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