氮化鋁與氮化鎵薄膜之原子層工程

Abstract

"半個世紀以來，在積體電路的特徵尺度積極地微縮下，使得電子元件的許多應用有了快速的發展，大大地改變了人類的生活。由於三五族氮化物材料具有寬能隙與熱穩定性佳等優勢，成為具有良好發展前景的重要第三代半導體材料。另一方面，由於原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)是具有精準製備奈米等級薄膜的優秀技術，本論文藉由發展基本的ALD技術，進一步開發出許多進階的原子層技術，如原子層退火(atomic layer annealing, ALA)、原子層磊晶(atomic layer epitaxy, ALE)、與區域選擇性原子層沉積(area-selective atomic layer deposition, AS-ALD)等等，並應用於製備高品質三五族氮化物薄膜。 在本論文第一部分，我們成功開發具有逐層(layer-by-layer)、原位(in-situ)處理特性的ALA與ALE技術，在低的成長溫度(300oC)實現在藍寶石基板上高品質奈米GaN磊晶薄膜。我們在每個 ALD 周期中加入低功率電漿的逐層、原位氦氣與氬氣(He/Ar)混合電漿ALA 處理，Ar 之解離率可以透過「潘尼效應」(Penning effect)因處於介穩(metastable)態的He離子的存在而提高，將能量由電漿轉移到沉積薄膜表面上，從而改善 GaN薄膜的結晶品質與薄膜特性。 本論文第二部分對於加熱深度小於5個原子層之ALA技術進行了描述和論證。我們在ALD 製程的每個周期中加入逐層、原位氬氣電漿轟擊(即ALA處理)，使得AlN 薄膜的結晶度、薄膜密度、介電常數都有顯著地提升，並且漏電流密度與缺陷密度亦能有效被抑制；研究顯示，ALA技術的影響深度，隨著轟擊間格(cycle spacing)的上升而降低，從而得知ALA之加熱深度約小於5個原子層。結果表明，具有精確控制次奈米加熱深度的ALA技術，對實現高品質的奈米材料和元件是關鍵技術。 本論文的第三部分藉由大面積、快速電子束退火(electron beam annealing, EBA)技術，顯著提高在藍寶石基板上奈米GaN薄膜的晶體品質。GaN薄膜的X-ray搖動曲線(rocking curve)的半高寬度僅為185 arcsec，顯示GaN薄膜具有高結晶品質，可歸因於電子照射到薄膜表面導致高效的能量傳輸。在高解析度穿透式電子顯微鏡影像中，可以觀察到非常清晰的晶格條紋，也顯示具有高結晶品質的GaN薄膜。經由快速EBA處理後的GaN薄膜，其表面依舊平滑，表示快速EBA處理並沒有造成對薄膜明顯的損害。實驗結果說明了具有低損傷、大面積、快速處理特性的EBA技術，對於需要低熱預算的退火製程是至關重要的技術。 最後，我們提出了原子層成核工程(atomic layer nucleation engineering, ALNE)，實現了無選擇性損失(selectivity loss)的AS-ALD技術。其關鍵是藉由通過基板射頻偏壓(substrate RF bias)在沉積區域與非沉積區域表面前驅物(precursor)吸附強度的差異，來造成薄膜的成核的差異，因此實現AlN薄膜在SiO2與Pt表面的AS-ALD，在SiO2和Pt表面之間的AlN薄膜厚度差高達約8.7 nm。結果表示，將ALNE技術加入ALD製程當中，為實現無選擇性損失的AS-ALD技術敞開了一道明窗。"