國立高雄大學電機工程學系碩士班

碩士論文

IGZO 與 ITO MIS 元件光響應特性研究

The study of photo response characteristics of a MIS

device with IGZO and ITO dielectric layer

研究生：洪子鈞 撰

指導教授：施明昌 博士

中華民國 一百零五 年 七 月

I

致謝

衷心感謝我的導師施明昌博士。本文的研究工作是在施明昌博士的悉心指導

下完成的，從論文的選題、研究計劃的制定、技術路線的選擇到系統的開發研制，

各個方面都離不開施明昌博士熱情耐心的幫助和教導。在碩士研究階段的二年

來，施明昌博士認真的工作態度，誠信寬厚的為人處世態度，都給我留下了難以

磨滅的印象，也為我今後的工作樹立了優秀的榜樣。

近二年的學習和科研工作，不僅使我的知識結構和科研能力上了一個新臺

階，更重要的是，各方面的素質得到了提高。而這一切，都要歸功於施明昌博士

的深切教誨與熱情鼓勵。值此論文順利完成之際，我首先要向我的指導教授施明

昌博士表達深深的敬意和無以言表的感謝。同時感謝教授在我學習期間給予的幫

助。

感謝和我一個實驗室的高逸祥、黃聖文。沒有他們無私的幫助，我是無法完

成論文工作的。

最後深深的感謝呵護我成長的母親。每當我遇到困難的時候，母親總是第一

個給我鼓勵的人。回顧 20 多年來走過的路，每一個腳印都浸滿著他們無私的關

愛和諄諄教誨，10 年的在外求學之路，寄托著母親對我的殷切期望。他們在精

神上和物質上的無私支持，堅定了我追求人生理想的信念。母親的愛是天下最無

私的最寬厚的愛。大恩無以言報，惟有以永無止境的奮鬥，期待將來輝煌的事業

讓父母為之驕傲。我亦相信自己能達到目標。

最後，向所有關心我的親人、師長和朋友們表示深深的謝意。

II

IGZO 與 ITO MIS 元件光響應特性研究

指導教授：施明昌 博士

國立高雄大學電機工程學系

學生：洪子鈞

國立高雄大學電機工程學系碩士班

摘要

本論文實驗利用電子束蒸鍍機 (Electron beam evaporation machine) 蒸鍍

Cu/IGZO 與 Al/ITO 材料於p-type矽基板上。利用ITO與IGZO在可見光的範圍有

高的穿透率，可高達90％，波長相當於可吸收光範圍的藍色光區域，且其它優點

有：對紅外線有很高的反射比、導電性佳、出色的基質黏著性、硬度佳與化學呈

現惰性反應，這些特別的電與光特性，顯示出ITO與IGZO均很適合被應用在光電

元件上透明導電薄膜優異的材料特性，應用製作於光偵測器元件上。本論文中將

利用I-V特性量測系統，在光照下電流-電壓特性以及不同波段光響應度之光電特

性研究，以利於未來製作光偵測器發展之參考。

關鍵字：氧化銦錫/氧化銦鎵鋅、電子束蒸鍍機、MIS光偵測元件、光響應度

III

The study of photo response characteristics of a MIS

device with IGZO and ITO dielectric layer

Advisors: Dr. Ming-Chang Shih

Institute of electrical engineering

National University of Kaohsiung

Student: Tzu-chun Hung

Institute of electrical engineering

National University of Kaohsiung

ABSTRACT

In this paper, we demonstrate the fabrication of a MIS device by applying

Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO) and Indium Tin Oxide (ITO) as the dielectric

layers those are high band gap material and can advantage for a MIS photo-detector

with high responsivity for ultra-violet light. Electron beam evaporator was used to

deposit dielectric layer and metal layer which showed good uniformity, adhesion and

electric properties after annealed. Current-voltage (I-V) measurement with

calibrated monochromatic light illuminated on a MIS fabricated device was used to

characterize the photo-responsivity. The result showed that enhancement of the

photo-responsivity at UV (400 nm) light for both MIS device fabricated with IGZO or

ITO dielectric layer can be achieved. However, the photo-responsivity is smaller

for the MIS device with IGZO layer that is due to the low leakage current of IGZO

dielectrics.

Keyword：ITO、IGZO、MIS Photo-detectors、Photo-responsivity

IV

目錄

學位審定書 .................................................................................................................. III

致謝.............................................................................................................................. IV

中文摘要....................................................................................................................... V

英文摘要...................................................................................................................... VI

目錄............................................................................................................................ VII

表目錄.......................................................................................................................... IX

圖目錄........................................................................................................................... X

第一章 緒論.................................................................................................................. 1

1.1 研究目的及動機................................................................................................. 1

1.2 ITO/IGZO 材料特性 ......................................................................................... 1

1.2.1 氧化銦錫之結構與特性 ................................................................................ 1

1.2.2 氧化銦鎵鋅之結構與特性 .............................................................................. 4

1.3 介電材料特性 ..................................................................................................... 6

1.4 鍍膜沉積技術介紹 ............................................................................................. 9

第二章 MIS 基本理論 ............................................................................................... 11

2.1 MIS 光偵測器介紹 .......................................................................................... 11

2.2 光偵測工作原理 .............................................................................................. 12

2.3 薄膜理論 ......................................................................................................... 18

2.3.1 單層膜........................................................................................................ 18

2.3.1 多層膜 ........................................................................................................ 22

第三章 實驗儀器與架構............................................................................................ 23

3.1 電子束蒸鍍系統 ............................................................................................. 23

3.2 MIS 元件製作流程之介紹 .............................................................................. 26

3.2.1 晶片切割與清洗 ........................................................................................ 27

3.2.2 沈積薄膜 .................................................................................................. 30

3.2.3 薄膜退火 .................................................................................................... 30

V

3.2.4 合金接觸電極製作 .................................................................................... 31

第四章 實驗結果與討論............................................................................................ 33

4.1 薄膜特性檢測 ................................................................................................. 33

4.1.1 掃描式電子顯微鏡 (SEM) ....................................................................... 33

4.1.2 ITO/IGZO 薄膜退火與未退火薄膜表面結構之分析 ............................... 35

4.2 電性檢測 ......................................................................................................... 38

4.2.1 電流-電壓特性量測 ................................................................................... 38

4.2.2 不同光能量電流-電壓特性量測 ............................................................... 40

4.2.3 不同波長光照下電流-電壓特性量測 ....................................................... 42

4.2.4 光響應度特性量測 .................................................................................... 45

第五章 結論與未來展望............................................................................................ 48

參考文獻...................................................................................................................... 49

VI

表目錄

表 1-1 二氧化矽物理特性 ........................................................................................................ 7

表 1-2 各種高介電薄膜物理特性之比較 ................................................................................. 8

表 1-3 薄膜製作技術優劣比較 ................................................................................................. 5

表 4-1 各種顯微術的比較 .................................................................................................... 35

VII

圖目錄

圖 1-1 ITO 穿透率曲線................................................................................................. 2

圖 1-2 氧化銦錫體心立方晶體結構圖 ....................................................................... 3

圖 1-3 氧化銦和氧化銦(錫) X-ray 繞射圖 .................................................................... 3

圖 1-4 IGZO 隨時間元件的 ID-VG 圖 ........................................................................ 5

圖 1-5 不同波長 IGZO 的 ID-VG 圖 ........................................................................... 5

圖 1-6 CAAC-IGZO 的晶體結構 ................................................................................ 5

圖 1-7 二氧化矽（SiO2）結構圖 ................................................................................. 7

圖 1-8 二氧化鈦（TiO2）結構圖 ................................................................................ 9

圖 2-1 MIS 之結構圖 .................................................................................................. 12

圖 2-2（a）MIS 正面俯視圖（b）MIS 側面俯視圖 ............................................... 12

圖 2-3 理想電容-電壓曲線圖 .................................................................................... 13

圖 2-4 V＝0 時理想 MIS 能帶圖 ............................................................................... 13

圖 2-5 累積區下能帶圖與電荷分佈 ......................................................................... 14

圖 2-6 累積區下載子分佈 ......................................................................................... 15

圖 2-7 空乏區下能帶圖與電荷分佈 ......................................................................... 16

圖 2-8 空乏區下載子分佈 ......................................................................................... 16

圖 2-9 反轉區下能帶圖與電荷分佈 ......................................................................... 17

圖 2-10 反轉區下載子分佈 ....................................................................................... 17

圖 2-11 光子產生電子電洞對情形 ........................................................................... 18

圖 2-12 基板 ns 上鍍上折射率為 n 的薄膜，厚度為 d 示意圖 .............................. 19

圖 3-1 電子束蒸鍍系統之示意圖 ............................................................................. 24

圖 3-2 電子束加熱圖 ................................................................................................. 25

圖 3-3 電子束蒸鍍系統實體圖 ................................................................................. 25

圖 3-4 實驗規劃流程圖 ............................................................................................. 26

圖 3-5 MIS 元件製作流程之順序圖 .......................................................................... 27

圖 3-6 RCA clean 流程圖........................................................................................... 29

VIII

圖 3-7 快速熱退火機之實體圖 .................................................................................. 31

圖 3-8 Al/Si 與 Cu/Si 未退火 I-V 圖 .......................................................................... 32

圖 3-9 Al /Si 與 Cu/Si 退火 I-V 圖 ............................................................................ 32

圖 4-1 掃描式電子顯微鏡之實體圖 .......................................................................... 34

圖 4-2 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖 .................................................................. 34

圖 4-3 ITO/IGZO 薄膜未退火 SEM 表面圖 .............................................................. 36

圖 4-4 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 表面圖 .................................................................. 37

圖 4-5 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 剖面圖 .................................................................. 37

圖 4-6 ITO 與 IGZO 無光照電流電壓關係圖 ........................................................... 38

圖 4-7 ITO 與 IGZO 有光照電流電壓關係圖 ........................................................... 39

圖 4-8 缺陷捕捉及釋放電子示意圖 .......................................................................... 39

圖 4-9 I-V 儀器實照圖 ................................................................................................ 40

圖 4-10 MI150 實照圖 ................................................................................................ 40

圖 4-11 MI150 光能量關係圖 .................................................................................... 41

圖 4-12 ITO 對不同光能量產生光電流..................................................................... 41

圖 4-13 IGZO 對不同光能量產生光電流 .................................................................. 42

圖 4-14 單光儀之示意圖 ............................................................................................ 43

圖 4-15 單光儀 CM-110 之儀器圖 ............................................................................. 43

圖 4-16 單光儀過濾波長 700nm 圖 ........................................................................... 43

圖 4-17 ITO 在不同波長光照射下，電流-電壓之關係圖 ....................................... 44

圖 4-18 IGZO 在不同波長光照射下，電流-電壓之關係圖 .................................... 44

圖 4-19 光功率計之儀器圖 ........................................................................................ 45

圖 4-20 光功率計量測光能量與光波長之關係圖 .................................................... 45

圖 4-21 ITO 有無退火之光響應圖............................................................................. 46

圖 4-22 IGZO 之光響應圖 .......................................................................................... 47

圖 4-23 光電流產生示意圖 ........................................................................................ 47

1

第一章 緒論

1.1 研究目的及動機

近年來隨著 IGZO 研究的興起，目前已經可以看到使用 IGZO驅動的 AMOLED

及 AMLCD了。但是 IGZO 存在著一些本質上的缺點，例如對光敏感及對水、氧等

的敏感及長期穩定，此外，IGZO的電性模型到目前為止也是極少有研究報導。

然而，IGZO長時間操作的可靠度也是需要努力改進的。

而本論文探討金屬-絕緣層-半導體(Metal-Insulator-Semiconductor，MIS)

光偵測器結構為主的光偵測器。MIS光偵測元件之其優點為暗電流小、低訊號、

反應速度快、可加電壓高，並偵測特定波長的光偵測效果，以蒸鍍不同材料，製

作 MIS 結構並以探針量測其電學特性、紫外光與可見光藉由光譜儀系統量測其

穿透特性、從量測分析搭配基本物理特性作一系列的探討。

1.2 ITO/IGZO 材料特性

1.2.1 氧化銦錫之結構與特性

氧化銦錫(即 Indium Tin Oxide，簡稱 ITO)為一種混合的 IIIA 族氧化銦

(In2O3)和 IVA 族的氧化錫(Sn2O2)之透明導電薄膜材料，通常質量比為 90%氧化銦

和 10%氧化錫，色澤透明無色，在塊狀時，則呈黃偏灰色，為寬能隙(約 3.5~4.3eV)

的 n 型簡併半導體(degenerate semiconductor)材料。由於具有高導電率(1x10-4Ω

-cm)和在可見光範圍的高透光率(穿透率約為 80~90%)如(圖 1.1)及化學穩定性

佳等優勢，因此被廣泛應用作為透明電極。

2

圖 1-1 ITO 穿透率曲線

氧化銦錫薄膜在可見光區的折射率為 1.8~2.1，其理論密度為 7.5g/cm3，晶

格結構與氧化銦相同皆為體心立方晶體結構(cubicbixbyite)[56]，如圖 1.2，屬於

c-type 稀土族類的缺陷氧化物，晶格常數為 a=10.118Å ，雖然氧化銦錫薄膜的晶

體結構與氧化銦相同，但由於錫(In 原子量 49，Sn 原子量 50)的摻雜使得晶格略

微膨脹(10.118

3

濃度與能隙大小的影響。在可見光及近紅外光區為高穿透、低反射，在紫外光區

則為高吸收、低穿透，而在紅外光區為高反射、低穿透，具有光選擇性。

材料之原子結構、鍵結、不純物(impurities)、缺陷與電子結構之關係會

影響光學特性，造成氧化銦錫透明導電膜透明性降低的原因有吸收、散射、反射

等，其中材料內部或表面缺陷、孔洞、微裂縫、異質相與不純物等都有可能造成

光線的散射。氧化銦錫的光學折射率約為 1.8~2.0 左右，能隙約為 3.5~4.3eV，一

般來說，當入射光的能量小於入射材料的能隙時，入射光將可直接穿透，而不

被吸收，氧化銦錫薄膜於可見光波段區域不被吸收，具良好的穿透性，且薄膜對

光子的吸收和散射皆很小，僅約2%，因此在可見光區的穿透率可達80%以上[41]。

圖 1-2 氧化銦錫體心立方晶體結構圖[39]

4

圖 1-3 氧化銦和氧化銦(錫)之 X-ray 繞射圖[40]

1.2.2 氧化銦鎵鋅之結構與特性

氧化銦鎵鋅（英語：indium gallium zinc oxide，縮寫：IGZO）是由 In2O3、

Ga2O3和 ZnO這三種氧化物所組成的材料系統，並不專指某一特定成分的銦鎵鋅

氧化物。如果三者組合起來時 In、Ga 和 Zn 的原子數量相同，那麼 IGZO 可用簡

式寫成 InGaZnO4，這也是目前發表的 a-IGZO文獻中常見的成分組合，雖然實際

成膜後三種金屬成分可能會偏離原有的公稱比 1：1：1。不同的 In2O3、Ga2O3

和 ZnO 組合比率會影響 IGZO 的性質。

IGZO 的載子移動率大約為 10cm2/Vs， 臨界電壓飄移幾乎一致。IGZO 可提

高面板性能、降低成本，但 IGZO 技術對光、水以及氧都相當敏感，長時間使用

之可靠度與穩定性，亦須增強。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B8%AE%E5%AF%AB

5

圖 1-4 IGZO隨時間元件的 ID-VG圖 圖 1-5不同波長 IGZO的 ID-VG圖

IGZO 結晶形又分為奈米晶體(Nanocrystal)和 CAAC-IGZO(c-axis Aligned

Crystal IGZO)兩種，其中 CAAC-IGZO 可稱為 IGZO 的進化版。CAAC-IGZO 的

晶體結構如圖 1.5 所示，是由 InO2-層與(Ga、Zn)O+層沿著 c 軸方向交錯堆疊而

成，具有強烈的 c 軸取向(Orientation)；如果沿著 c 軸觀察，其原子排列呈六角形，

如果由垂直於 c 軸的方向觀察，則可看到平行的層狀結構。

CAAC 結構的形成要點，是使 IGZO 晶體沿著單一方向(c 軸)成長，與非晶

形 IGZO(a-IGZO)相比，CAAC-IGZO 的可靠度與薄膜均勻性更佳，而且其製程

基本上和 a-Si TFT 相同，可以維持同等的生產性。

圖 1-6、CAAC-IGZO的晶體結構

6

1.3 介電材料特性

介電材料在一般情況下為絕緣體，在受到一電場作用下，材料中的原子、分

子或離子，其正負電荷的中心位置會移動並產生電偶極距(Dipole Moment)。材料

所包含的電子、離子或分子會因而產生極化(Polarization)。如果持續將微電子元

件縮小，而傳統的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，必須研究開發新的介電材料來取代原有二氧化矽（SiO2）。

因為高介電常數材料具有較二氧化矽為高的介電常數，在相同的閘極等效氧化層

厚度下，具有較厚的實際物理厚度，可以降低量子直接穿隧(Quantum Direct

Tunneling)的發生，並大幅降低閘極介電層的漏電流。[4-9] [4] 李正中,”薄膜光學

與鍍膜技術” pp.1.

二氧化矽（SiO2）

高品質的絕緣層，在半導體元件的應用上，SiO2晶體有多種晶型，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網狀結構的晶體，

如圖1-7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

7

的表面抗刮與保護層。[11] [11] 維基百科,二氧化矽

圖1-7 二氧化矽（SiO2）結構圖

化學式 SiO2

分子量 60.1 g．mol-1

密度 2.2

熔點 1650（±75）℃

沸點 2230℃

溶解度 0.012 g/100ml

分子結構 四方晶系

能隙 9eV

表1-1 二氧化矽物理特性

8

材料 介電常數（K） Eg(eV) Si to Ec(eV)

SiO2 3.9 8.9 3.2

Al2O3 9 8.7 2.3

Ta2O5 26 4.5 1~1.5

La2O3 30 4 2.3

TiO2 80 3.5 1.2

HfO2 25~40 5.7 1.5

ZrO2 25 7.8 1.4

HfSixOy 15~25 ~6 1.5

ZrSixOy 12~25 6.5 1.5

表 1-2 各種高介電薄膜物理特性之比較[9] [9] 陳怡誠,”高界電薄膜介紹

二氧化鈦（TiO2）

鈦為地殼元素中第四大元素，二氧化鈦即為其氧合物之一。二氧化鈦本身即

是一種催化劑，觸媒本身能降低化學反應的能量，而促 使化學反應或加快其反

應速度，但本身卻不因化學反應而產生變化或破壞本體結構。

TiO2 本身為 N型半導體，在自然界中 TiO2 中以銳鈦礦〔A-type〕、金紅石

〔R-type〕及板鈦礦〔B-type〕，其中最為世上廣泛使用的是 A-type及 B-type

採單獨使用或以兩者混合來作為工業顏料〔鈦白粉〕，食品添加物（已經美國 FDA

食品檢驗中心認可）、化粧品（UV 吸收劑）。

9

圖 1-8 二氧化鈦（TiO2）結構圖

1.4 鍍膜沈積技術介紹

成長薄膜方式有以下，例如：分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy) 、無線

電頻率濺鍍法(Radio Frequency Sputtering)、反應性電子束蒸鍍(Reactive Electron

Beam Evaporation)、脈衝雷射濺鍍(Pulse Laser Deposition)、有機金屬化學氣相沈

積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等，表 1-4為目前常用鍍膜技術優劣

比較。電子束（Electron Beam Evaporation）蒸鍍系統可以在常溫下鍍膜，並且可

以以高沈積速率且大面積並可以選擇多樣靶材。本文研究中，則是採用對銦錫氧

化物(ITO)、氧化銦鎵鋅（IGZO）等材料進行蒸鍍，而將薄膜沈積於 p-type Si（100）

晶片上，而研究其薄膜之厚度、層數、反射率、以及退火前後對薄膜光學之影響。

進而完成光偵測器(Photodetector)，探討不同波長的光(100 nm-1550 nm)照下之

I-V特性、光響應度(Responsivity)，以應用在不同光波段之檢測上。

[18] 鄧文浩 ,“強介電薄膜的物理氣相沈積技術 ”,強介電薄膜材料技術專

題,No.155,1999.

10

磊晶

成長

可沉積

薄膜

高沈積

速率 大面積

低基板

溫度

低製成

本

材料變

換性

脈衝雷射濺鍍

(Pulse Laser

Deposition)

V V V V V V

磁控濺鍍

(Magnetron

Sputtering

Deposition)

V V V V

離子束濺鍍

(Ion Sputtering

Deposition)

V V V V

電子束蒸鍍

(Electon Beam

Evaporation)

V V V V

分子束磊晶

(Molecular

Beam Epitaxy)

V V V

有機金屬化學

氣相沈積(Metal

Organic

Chemical Vapor

Deposition)

V V V V V

表 1-3 薄膜製作技術優劣比較[18]

11

第二章 MIS 基本理論

2.1 MIS 光偵測器介紹

光偵測器(Photodetector)是一種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。

光偵測器常應用在包括光隔絕器中的紅外光感應器、以及光纖通訊系統的偵

測器。在這些廣泛的應用中，光偵測器在所工作的波長範圍中必須具有高靈敏

度、高響應速度及低雜訊。工作的波長範圍可根據其材料與元件結構上的不同，

去設計偵測不同波長(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，

光偵測器必須盡量微小化、使用低電壓、或低電流、並在運作條件下具有高可靠

度[13]。

[13] Crip, C. L.Huisman, A. Reller,”Photoinduced reactivity of titanium

dioxide”,Progress in Solid State Chemistry,32,pp.33-177,2004.

MIS 組成元件為三大部份：金屬（Metal）、絕緣層（Insulation）、半導體

（Semiconductor）。MIS 元件又稱之為 MOS 元件，源自於二氧化矽（SiO2）在以

矽為主的 MIS元件中，以氧化層扮演絕緣層的角色，故又稱 MOS元件。絕緣層中

使用不同的界電材料，對於 MIS元件元件中，會改變其特性結果。而本論文研究

中，半導體基底為 p-type（100）矽晶片，金屬則是以氧化銦錫（ITO），絕緣層

則是使介電材料二氧化矽（SiO2）蒸鍍來當作其絕緣層。MIS 光偵測元件之優點

為暗電流小、低訊號、可加電壓高、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，並偵測特定波長的光偵測效

果。光偵測器工作的波長範圍可根據其元件材料與元件結構上的不同，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。[19]圖 2-1為 MIS之結構圖。圖 2-2 為 MIS正面

以及側面之俯視圖。[19] S.M.Sze, “semiconductor devices physics and technology,

2th ed.”,pp468.

12

圖 2-1 MIS 之結構圖

圖 2-2（a）MIS 正面俯視圖（b）MIS 側面俯視圖

2.2 光偵測工作原理

MIS相當於 MOS，而當 MIS施加一偏壓時，等同於在電容上施加偏壓，而理

想電容在施加不同偏壓情況下，則會有三種操作區域：（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]

13

Accumulation

Region

Depletion

Region

Inversion

Region

C

VG

Low frequency

High frequency

Accumulation

Region

Depletion

Region

Inversion

Region

C

VG

Low frequency

High frequency

累積區 空乏區 反轉區

圖 2-3 理想電容-電壓曲線圖

一理想 MIS 元件定義如下：（a）於零偏壓時，金屬功函數 qΦm與半導體功

函數 qΦs 的能差為零，即功函數差 qΦms 為零。如圖 2-4 所示。

圖 2-4 V＝0 時理想 MIS 能帶圖

金屬功函數：qΦm

半導體功函數：qΦs

電子親和力：qx

14

費米能階（EF）－本質費米能階（Ei）：qΦF

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。

（一） 累積區（accumulation）：偏壓小於平帶電壓(flatband voltage)。當一負電

壓（V＜0）施加於元件平板上時，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。如

圖 2-5 所示。圖 2-6 聚集區下載子分佈。此時 MIS 元件將像一個平行板

電容器，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。如圖 2-3 所示。

圖 2-5 累積區下能帶圖與電荷分佈

15

圖 2-6 累積區下載子分佈

INHFLF CCC , for FBG VV 式 2-1

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）：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（V＞0）於理想的 MIS 元件時，

靠近半導體表面能帶將向下彎曲，而多數載子（電洞）形成空乏區。如

圖 2-7 所示。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 2-8 為空乏區下載子分佈。

[22]

16

圖 2-7 空乏區下能帶圖與電荷分佈

圖 2-8 空乏區下載子分佈

s

d

IN

HFLF

XC

CC

1

1, for TGFB VVV 式 2-2

Xd：空乏寬度

VT：臨界電壓

（三） 反轉區（inversion）：偏壓大於臨界電壓稱之為反轉區。當外加一更大的

17

正壓時，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，使得絕緣層與半導體界面處開始吸引超量的載子（電子）。如圖 2-9

所示。EF－Ei>0，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電壓的上升而

增加直到等於絕緣層電容，是因為在低頻時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，如圖 2-3 所示。[23]

圖 2-9 反轉區下能帶圖與電荷分佈

圖 2-10 反轉區下載子分佈

INLF CC and

s

d

IN

HF X

C

C

max1

1

, for GT VV 式 2-3

Xdmax：空乏最大寬度

18

s ：介電係數

當入射一道光，其光子打入半導體內，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。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。[24]

h

photon

Eg

Ec

Ev

h Eg

Semiconductor

h

photon

Eg

Ec

Ev

h Eg

Semiconductor

圖 2-11 光子產生電子電洞對情形

2.3 薄膜理論

光學薄膜的功能大多基於光波作用的結果，所以我們將光認定為是一種波來

處理。不同的光源會有不同的強度與光譜分佈，但理論上皆可看成許多連串的平

面波線性疊加組合而成。因此光在膜層中及介面上之行為可經由瞭解平面波的行

為而得到。

2.3.1 單層膜[25]

當在基板 nS鍍上如圖 2-12 所式，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。假設所有的界電質是均勻

19

且各同向性，介面是平行且可無限延伸。

圖 2-12 基板 ns 上鍍上折射率為 n 的薄膜，厚度為 d 示意圖

由於波的形式為

inzinzwti

eee

2][ 2

式 2-4

所以在光行進距離 d 後走了相厚度，以及在 z 方向會有個相位差 δ

nd

2 式 2-5

設平行於介面之電磁場分別以符號 E 與 H 表示，由於他們在介面上必須是

連續值，因此可得以下關係式：

在介面 b：

淨電場 bbsbb EEEE 11 式 2-6

淨磁場 absbb HHHH 11 式 2-7

或 aaaaa EEEEE 1100000

20

在介面 a：

淨電場 aaaaa EEEEE 1100 式 2-8

淨磁場 aaaaa HHHHH 1100 式 2-9

或 aaaaa EEEEE 1100000

η0、η、ηs 分別表示入射介電值、薄膜及基板之一般光學導納。

由於電場在薄膜由介面 a 走到介面 b 有相位差 δ 存在，所以

iba eEE 11 式 2-10

iba eEE

11 式 2-11

由式子（2-6）、（2-7）可得

21

bbb

HEE

式 2-12

21

bbb

HEE

式 2-13

於是

ib

i

baaa eEeEEEE 1111

ibbibb eHE

eHE

22

)s i n

(c o s

iHE bb 式 2-14

ibi

baaa eEeEHHH 1111

ibbibb e

HEe

HE

22

c o s)s i n( bb HiE 式 2-15

合併式 2-14、式 2-15，寫成矩陣行列式

21

b

b

a

a

H

E

i

i

H

E

cos

sincos 式 2-16

所以矩陣

cossin

sincos

i

i

M 式 2-17

連接了 a、b 兩介面間電磁場的關係。他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 2-8、式 2-9 得知

0

0

02

aaa

HEE

式 2-18

0

0

02

aaa

HEE

式 2-19

因此反射係數

Y

Y

HE

HE

E

E

aa

aa

a

a

0

0

0

0

0

0

式 2-20

同理透射係數為

Y

E

E

HE

E

E

E a

b

aa

b

a

b

0

0

0

0

0

22

式 2-21

若將式 2-16 之左右矩陣各除以 Eb，則b

b

bE

HY 等值於基板之導納，而式 2-16 可

寫成

syi

i

C

B 1

cossin

sincos

式 2-22

等效導納為B

CY 式 2-23

反射係數為CB

CB

0

0

式 2-24

透射係數為CB

0

02

式 2-25

22

反射率為

*

0

0

0

02

CB

CB

CB

CBR

式 2-26

透射率為

*00

02

0

Re4Re

CBCB

y

y

yT ss

式 2-27

2.3.2 多層膜[26-27]

多層薄膜可利用來控制光已經在科學以及很多行業上所使用，通常使用高真

空蒸鍍薄膜於玻璃或金屬基板上。在許多實際薄膜應用上較知名的是使用抗反射

於相機鏡頭和其他光學文書，其他應用包涵熱反射、熱透射鏡，單向鏡，光學過

濾器…等等。

多層膜基本上是單層膜的疊加而已。因此計算多層膜其矩陣方程式為其各單

層膜（式 2-17）的乘積。首先我們將式改寫成

kdkdin

kdn

ikd

M

cossin

sincos

1

1 式 2-28

其中 n1 為折射率， kd ，0

122

nk

假設有 1，2，3…N 層，其折射率為 n1，n2，n3…nN，每層折射率為 n1，n2，n3…nN，

各層薄膜厚度為 d1，d2，d3…dN，所以經由式 2-28 多層膜之膜矩陣可改寫成

DC

BAMMMMM N...321 式 2-29

其中

反射係數 TT

TT

DnCnBnAn

DnCnBnAnr

00

00 式 2-30

穿透係數 TT DnCnBnAn

nt

00

02 式 2-31

則反射率為2

rR ，穿透率為2

tT 式 2-32

23

第三章 實驗儀器與架構

3.1 電子束蒸鍍系統

電子式蒸鍍機的基本構造是先將真空蒸鍍室抽到真空，對欲鍍物以電子槍

加熱轟擊，使之氣化分解進而擴散到達機材，到達薄膜沈積的目的。本論文 ITO

與 IGZO 被採用在金屬薄膜製程，用加熱的方式用來沉積 ITO 與 IGZO 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 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。

24

(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

不同膜材料時必須不時調換。

（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]

圖 3-1 電子束蒸鍍系統之示意圖

25

圖 3-2 電子束加熱圖[30]

圖 3-3 電子束蒸鍍系統實體圖

26

3.2 MIS 元件製作流程之介紹

本實驗是以電子束蒸鍍來沈積 MIS 元件結構中絕緣層的部份。而在沈積薄

膜前，我們必須對矽基板清洗，因為基板的潔淨度不好，其存在的表面氧化物、

金屬離子、灰塵…等等，都會影響其薄膜的沈積品質以及其光學特性。晶片清洗

完成後，先以電子束蒸鍍系統沈積薄膜，次之以 RTA 退火薄膜，以致薄膜沈積

更為緊密。最後我們則在以電子束蒸鍍系統蒸鍍 ITO 與 IGZO 在元件上，元件完

成後，及可進行電性測量分析。

圖 3-4 實驗規劃流程圖

27

圖 3-5 MIS 元件製作流程之順序圖

3.2.1 晶片切割與清洗

在 MIS 元件製作過程開始之前，先利用鑽石刀將矽晶圓切割(Sawn)為 1cm x

1cm 大小的晶片，所以我們必須先以鑽石切割刀，先切出我們樣品之大小。矽

晶片潔淨度品質則會影響到元件之特性。切割完之後的晶片必須進行清洗以除去

表面粒子(Particle)，晶片的潔淨度為製程品質的要素。

矽晶片清洗則會經過兩道步驟，第一道去除晶片表面之有機物質，第二道則

是去除氧化物。

28

（一） 有機物之清洗

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. 夾出試片，用氮氣(N2)吹乾試片表面殘留的水珠。

（二） 原生氧化層之去除

1. 矽晶片浸入 H2SO4：H2O = 1：4 的 SPM 溶液中，以加熱板 (Hot plate)

升溫到 120 ℃ ± 5 ℃、5 分鐘，目的是清除矽晶片表面的有機物及金

屬污染物。矽晶片再浸入去離子水中，置於超音波震盪機中去震盪 3

分鐘。

2. 矽晶片浸入HF：H2O = 1：50的DHF溶液中1分鐘。矽晶片再浸入去離

子水中，置於超音波震盪機中去震盪3分鐘。

3. 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，再浸入去離子水中置於

超音波震盪機裡震盪 3 分鐘。

4. 矽晶片浸入 HF：H2O = 1：50 的 DHF 溶液中 1 分鐘。矽晶片再浸入

去離子水中，置於超音波震盪機中去震盪 3 分鐘。

5. 矽晶片浸入 HCl：H2O2：H2O = 1：1：6 的 SC-2 溶液中，以加熱板升

29

溫到 80 ℃ ± 5 ℃、10 分鐘，目的是清除鹼金族離子和鋁、鐵、鎂之

氫氧化物，及複雜的殘留金屬，藉由 HCl 中的氯離子和殘留金屬離子，

形成錯合物而溶解於水溶液中。矽晶片再浸入去離子水中，置於超音

波震盪機中去震盪 3 分鐘。

6. 矽晶片浸入 HF：H2O = 1：50 的 DHF 溶液中 1 分鐘，目的在減少矽

晶片和大氣中的氧去形成原生氧化層。

7. 氮氣槍吹乾矽晶片，並放入烤箱 90 ℃、3 分鐘，目的是去除殘留在矽

晶片的水份。

圖 3-6 RCA clean 流程圖

30

3.3.2 沈積薄膜

經過晶片清洗步驟完成之後，使用電子束蒸鍍系統沈積薄膜。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 (Cryopump) 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

2.5Å ～3.5Å 。沈積單一層厚度分別有 200 Å 與 300Å 兩種厚度。因本實驗絕緣層

是以沈積 SiO2 為主的薄膜，故必須將靶材放置腔體的凹槽內。靶材必須於真空

之中完成。

3.2.3 薄膜退火

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，

31

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少

不均勻現象，故有快速升溫及降溫之處理步驟。[31]

本實驗則是以 ULVAC MILA-3000 之 RTA（快速熱退火機）來退火樣品。

退火時間為 5 minutes，退火溫度為 600℃。

圖 3-7 快速熱退火機之實體圖

3.2.4 合金接觸電極製作

以電子束蒸鍍系統蒸鍍 Al 與 Cu 電極於 Si 樣品上。系統真空度：10-6 torr，

蒸鍍速率：2.5 Å ～3.5 Å ，Al 與 Cu 電極厚度：3000 Å 。

待完成電極之蒸鍍，需將樣品置入高溫爐中，使用退火機制來使 Al 與 Cu

電極與半導體接面從蕭特基接觸轉為歐姆接觸。圖 3-8 為蕭特基接觸，圖 3-9 為

歐姆接觸。退火溫度：450℃，退火時間：30 minutes。

32

圖 3-8 Al/Si 與 Cu/Si 未退火 I-V 圖

圖 3-9 Al /Si 與 Cu/Si 退火 I-V 圖

33

第四章 實驗結果與討論

4.1 薄膜特性檢測

4.1.1掃描式電子顯微鏡 (SEM)

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 Microscopy,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。

初期使用之光學顯微鏡，是以可見光為介質。由於可見光的波長太長，在

450 nm～650 nm，以至於影像解析度無法小於 0.2 um，若要觀察深次微米尺寸

(﹤0.5 um)以下的表面形貌結構，傳統光學顯微鏡以不敷使用。

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 Spectroscopy；EDS)

系統，則可以偵測特徵 X 光作材料元素成分分析。[32]

34

圖 4-1 掃描式電子顯微鏡之實體圖

圖 4-2 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖

35

光學顯微術 掃瞄式電子顯微

術

穿透式電子顯微

術

掃瞄探針顯微術

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

樣品製備 無 觀察表面需導電 手續複雜 無

成分分析 有 有 有 有

表 4-1 各種顯微術的比較[37]

4.1.2 ITO/IGZO 薄膜退火與未退火薄膜表面結構之分析

退火可產生熱能使物體內產生內應力可把一些缺陷加以消除，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。由於退火使得內部缺陷會移動到正常晶格位置，同時內

部應力場也會跟著消失，退火過程繼續進行中也可使得晶粒在成長，晶粒成長的

程度會嚴重影響到材料的機械性質。退火後的元件可使元件光學與電性變好。圖

4-3 與圖 4-4 為薄膜表面未退火與退火情形，圖 4-5 為薄膜退火後 SEM 剖面情形，

很明顯可以看出，薄膜表面排列變得更為緊密，也可看出退火後薄膜表面有變為

較粗糙之情形。[31]

36

圖 4-3 ITO/IGZO 薄膜未退火 SEM 表面圖

37

圖 4-4 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 表面圖

圖 4-5 ITO/IGZO 薄膜退火 SEM 剖面圖

38

4.2 電性檢測

4.2.1 電流-電壓特性量測

我們使用Agilent HP4145B來量MIS元件照光與不照光之電流變化，照

射光源為鹵素燈，圖4-6為ITO與IGZO無光照電流-電壓之關係圖，在同樣10 V電

壓量測條件下，不照光電流為1.2μA，照光後電流為37.1μA。圖4-7為ITO與IGZO

有光照電流-電壓之關係圖，在同樣10 V電壓量測條件下，不照光電流為2.21μ

A，照光後電流為15.6μA。。

-10 -5 0 5 10

-0.000007

-0.000006

-0.000005

-0.000004

-0.000003

-0.000002

-0.000001

0.000000

0.000001

0.000002

0.000003

0.000004

0.000005

Cu

rre

nt (A

)

Voltage (V)

No Light no anneling IGZO

No Light no anneling ITO

圖 4-6 ITO 與 IGZO 無光照電流電壓關係圖

39

-10 -5 0 5 10

-0.0006

-0.0005

-0.0004

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0.0000

Cu

rre

nt (A

)

Voitage (V)

Light 100% anneling IGZO

Light 100% anneling ITO

圖 4-7 ITO 與 IGZO 有光照電流電壓關係圖

圖 4-8 缺陷捕捉及釋放電子示意圖

40

圖 4-9 I-V 儀器實照圖

4.2.2 不同光能量電流-電壓特性量測

本實驗使用的光源為MI150( 150 W鹵素燈 )(OSRAM Halogen Lamp)作為光纖燈

的光源在薄膜造成光電流效應，MI150 如圖 4-10 所示。

圖 4-10 MI150 實照圖

41

驗證 MI150 光能量關係圖如圖 4-11。

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

mW

nm

power 5

power 4

power 3

power 2

power 1

圖 4-11 MI150 光能量關係圖

比較 ITO 與 IGZO 在不同光能量產生狀況，所造成電流差異狀況，圖 4-12

為 ITO 對不同光能量產生光電流狀況，圖 4-13 為 IGZO 對不同光能量產生光電

流狀況

圖 4-12 ITO 對不同光能量產生光電流

42

圖 4-13 IGZO 對不同光能量產生光電流

當 MI150 光照射到 ITO 與 IGZO 時，會產生電子與電洞對，但它們很快的

便會結合，並且將能量轉換成光子或聲子（熱），光子和能量相關，聲子則和動

量相關。因此電子與電洞的生命期甚短；在 P 型中，由於具有較高的電洞密度，

光產生的電洞具有較長的生命期，同理，在 N 型半導體中，電子有較長的生命

期。

在 P-N 半導體接合處，由於有效載子濃度不同而造成的擴散，將會產生一

個由 N 指向 P 的內建電場，因此當光子被接合處的半導體吸收時，所產生的電

子將會受電場作用而移動至 N 型半導體處，電洞則移動至 P 型半導體處，因此

便能在兩側累積電荷，則可產生電流。

4.2.3 不同波長光照下電流-電壓特性量測

單光儀(Monochromator)的主要元件為光柵 (Grating)，光柵的功能和三稜鏡散

射功能相近，當光入射到光柵之後，會因折射而導致產生光的色散，藉著控制狹

縫的寬度變化，用來解析出入射光的各個波長。圖 4-14 為單光儀之示意圖[38]，

43

圖 4-16 為單光儀過濾波長 700nm 圖。

光源

狹縫

光柵

單光儀

待測物

圖4-14單光儀之示意圖 圖4-15單光儀CM-110之儀器圖

圖4-16單光儀過濾波長700nm圖

本實驗使用的光源為穩定的150 W鹵素燈 (OSRAM Halogen Lamp)作為光

纖燈的光源，將光纖燈接至單光儀，鹵素燈光源透過單光儀(SP Monochromator

CM-110)可選擇100nm-1000nm的波長，改變不同波長光源來進行不同光波長對

電流-電壓關係之影響。圖4-15為CM-110單光儀之儀器圖。圖4-17為ITO不同波長

光照射下，電流-電壓之關係圖，圖4-18為IGZO不同波長光照射下，電流-電壓之

關係圖。

44

-10 -5 0 5 10

-0.00030

-0.00025

-0.00020

-0.00015

-0.00010

-0.00005

0.00000

0.00005

Cu

rre

nt (A

)

Voltage (V)

400nm

500nm

600nm

700nm

800nm

900nm

1000nm

圖 4-17 ITO 在不同波長光照射下，電流-電壓之關係圖

-10 -5 0 5 10

-0.007

-0.006

-0.005

-0.004

-0.003

-0.002

-0.001

0.000

0.001

B

A

400nm

500nm

600nm

700nm

800nm

900nm

1000nm

45

圖 4-18 IGZO 在不同波長光照射下，電流-電壓之關係圖

4.2.4 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)量測各波長的光

功率，圖 4-19 光功率計之儀器圖，圖 4-20 為光功率計量測光能量與光波長之關

係圖。

圖4-19 光功率計之儀器圖

400 500 600 700 800 900 1000

2

3

4

5

6

7

8

9

uW

nm

Power

圖4-20 光功率計量測光能量與光波長之關係圖

46

我們利用光響應度的分析，光源透過單色分光儀，將不同的波長照射在元件

上，再量測元件的光暗電流值。

則我們利用式 4-3 來計算光響應度

P

IR

式4-3

R :光響應度

I :元件電流

P:入射光功率

量測ITO與IGZO薄膜厚度的MIS元件，得到100nm-1000 nm的光電流和暗電

流，並計算其光響應度。在不同波長的光照下，其光電流分佈不一樣的電流值，

可以發現對紅外光波段有不錯的光響應度。圖4-21為ITO在不同波長光照射下，

光響應度之關係圖。圖4-22為IGZO在不同波長光照射下，光響應度之關係圖。

400 500 600 700 800 900 1000

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Rs (

A/W

)

nm

Annealing

NoAnnealing

47

圖 4-21 ITO 有無退火之光響應圖

400 500 600 700 800 900 1000

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

R/S

(A/W

)

nm

Annealing(+7.5V)

400 500 600 700 800 900 1000

-0.0014

-0.0012

-0.0010

-0.0008

-0.0006

-0.0004

Rs(A

/W)

nm

Annealing(-7.5V)

圖 4-22 IGZO 之光響應圖

且由圖4-21發現ITO未退火時紅外波段響應度與退火過趨勢性相同，但數值

上有所差異，原因為退火後薄膜表面較更緊密，進而減少其光學干涉的現象，故

其響應度較為平穩。

由上面可以看出在900nm與1000nm均有最高的峰值，並可發現隨著厚度增加

光響應度越來越小，可見薄膜厚度會影響光響應度峰值的大小。

圖 4-23 光電流產生示意圖

48

第五章 結論與未來展望

本論文研究利用電子束蒸鍍法蒸鍍氧化銦錫(ITO)/ 氧化銦鎵鋅(IGZO)薄膜

於 p-type Si (100)基板上，並利用 ITO 與 IGZO 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. 相同製程上，ITO 對波長位在 900nm 與 1000nm 且在紅外波段有較好之響應

度，但 IGZO 則對所有光波長無敏感性的響應度，相同製程上，ITO 可應用

於紅外線偵測上，但 IGZO 則可運用在傳輸線，在光強度大的地方，不易產

生漏電流。

2. 由於蒸鍍方式對於成分控制精確度較差，未來可換其他製作方式，例如：準

分子雷射濺鍍。因準分子脈衝雷射濺鍍系統對於成分控制精度更高。故可探

討其 ITO 與 IGZO 混和成分比例不同時，薄膜之性質與電性研究。

3. ITO 對光響應度隨著膜厚越薄，光響應度越好，原因是介電材料對光的吸收

以及界面電場對厚度的影響所造成，IGZO 與 ITO 相比之下，則無明顯此特

性。

4. 未來可改變退火製程參數，觀察其不同溫度與不同時間熱退火過後 ITO 與

IGZO 之成效性，與電流-電壓、光響應度之特性。也可製作更多層之薄膜，

進而探討其光電性質。

49

參考文獻

[1] J. Kwo, M. Hong and A. R. Kortan,”High ε gate dielectrics Gd2O3 and Y3O3 for

silicon,”Appl. phys. Lett.,vol.77,pp.130-132,2000.

[2] J. Kwo, M. Hong and A. R. Kortan and K. L. Queeney,”Propertis of high ε gate

dielectrics Gd2O3 and Y3O3 for si,”J. Appl. Phys.,vol.89,pp.3920-3927,2001.

[3] D. Park, Q. Lu, T. King, C. Hu, A. Kainitsky, S. Tay and C. Cheng, Tech. Dig. Int.

Eectron Devices Meet.,pp.381,1998.

[4] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術” pp.1.

[5] 余合興,”半導體材料與元件（上冊）”,pp.280-286,pp.295-304.

[6] 游信和,曾春風,陳文照,”材料科學與工程導論”,pp.707-711.

[7] 張立德,牟季美,”奈米材料和奈米結構”.pp.271-285.

[8] 林振華, “電子材料”, pp.6-2~35, 2001.

[9] 陳怡誠,”高界電薄膜介紹”

[10] UDT. Sensors, Inc.”Silicon photodiodes Physics and Technology”,No 02, April

1982.

[11] 維基百科,二氧化矽.

[12] 施位勳,姬梁文,許惠雯,”二氧化鈦奈米柱紫光感測器的研製”,奈米通訊. 18

卷. no 03, pp.22-29.

[13] Crip, C. L.Huisman, A. Reller,”Photoinduced reactivity of titanium

dioxide”,Progress in Solid State Chemistry,32,pp.33-177,2004.

[14] J. K. Burdett, T. Hughbank, G. J. Miller, J. W. Richardson and J. V.

Smith,”Structural-electronic relationships in inorganic solids:powder neutron

diffraction studies of the rutile and anatase polymorphs of titanium dioxide at 15

and 295K”, Journal of American Chemical Society,109,pp.3639-3646,1987.

[15] 林榮良 ,”TiO2光催化原理漢應用例子”, CHEMISTRY (THE CHINESE

CHEM. SOC., TAIPEI) SEP. 2002 Vol. 60, No. 3, pp.457-461.

50

[16] 楊偉仁,”磁控濺鍍沈積 Ti02 光觸媒薄膜之研究”,碩士論文,工程技術研究所,

桃園,2009.

[17] 柯賢文,”表面與薄膜處理技術”,pp.5-25.

[18] 鄧文浩 ,“強介電薄膜的物理氣相沈積技術 ”,強介電薄膜材料技術專

題,No.155,1999.

[19] S.M.Sze, “semiconductor devices physics and technology, 2th ed.”,pp468.

[20] 吳孟奇、洪勝富、連振祈、龔正 譯 ”Solid state electronic devices”,

pp.302-304,2000.

[21] S.M.Sze, “semiconductor devices physics and technology, 2th ed.”, pp.170-173.

[22] Pierret, R. F. Semiconductor Device Fundamentals. Reading,MAAddisonWesley,

1996.

[23] Shur, M. Physics of Semiconductor Devices. Englewood Cliffs,NJ:Prentice

Hall,1990.

[24] William D. Callister, JR. ,”材料科學與工程導論”,pp783.

[25] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術”,pp39-44.

[26] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術”,pp59-62.

[27] Grant R.Fowles,”INTRODUCTION TO MODERN OPTICS”,pp96-102.

[28] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術”,pp293.

[29] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術”,pp294.

[30] 柯賢文,”表面與薄膜處理技術”,pp4-24.

[31] William D. Callister, JR. ,”材料科學與工程導論”,pp390.

[32] 陳力俊,”材料電子顯微鏡學”,pp1-pp18,pp285-pp310.

[33] 李威儀,李世昌,張良肇,”GaNAS 與 GaInNAS 的磊晶成長與特性研究”.

[34] Kevin J. Yang,Chenming Hu,”MOS Capacitance Measurements for

High-Leakage Thin Dielectrics”,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON

DEVICES, VOL. 46, NO. 7, JULY 1999.

[35] 劉啟賓,”熱蒸鍍法氧化鋅二極體製作之研究“,碩士論文,電機工程研究所,高

雄,2011.

[36] G. C. F. Yeap, S. Krishnan, and M. R. Lin, “Fringing-induced barrier lowering in

sub-100 nm MOSFETs with high-K gate dielectrics,” Electron Lett., p1150-1152.

[37]電子顯微鏡介紹–SEM 作者:清華大學博士 羅聖全

[38]紀國鍾,蘇炎坤主編,”光電半導體技術手冊”pp.420.

51

[39] M. Quaas,C. Eggsl , H. Wulff, “Structural studies of ITO thin films the Rietveld

method”, Thin Solid Films 332,277~281,1998.

[40] P. Nath and R.F. Bunshah,“Preparation of In2O3 and Tin-Doped In2O3 Films

by a novel Activated Reactive evaporation Technique”,Thin solid Films , 69 p . 63 ~

68 ,1980.

[41] A.J.Steckl and G. Mohammed, “The effect of Ambient Atmosphere in The

annealing of ITO films”,J.Appl.Phys.,51(7) p.3890~3895,1980.

[42] M. Hecq,A. Dubois and J. Van Cakenberghe, “etude par diffraction de rayons x

de films a base d`oxydes d`etain et d`indium”,Thin solid Films , 18 , P . 117 ~

125,1973.

[43] J. L Vossen, “RF sputtered Transparent Conductors he Systems In2O3 - SnO2 ” ,

RCA Review,32p.289~296,1971.