臺灣博碩士論文加值系統

本論文以 77 keV 鍺化硼分子離子佈植於 n 型的 ＜100＞ 矽晶圓，佈植時晶圓的溫度分別控制在液態氮（liquid nitrogen）溫度（77 K）與室溫之下（即除了射束加熱之外，並加諸無其他熱源或冷卻方法）。佈植時試片傾斜 7° 或 35° ，離子通量為 1013、5×1013、1014、2×1014、5×1014、1015、以及 2×1015 cm-2，後續退火時所使用的退火方法為單一階段退火（包括：爐管退火與快速熱退火），以及兩階段退火（先爐管退火後，再進行快速熱退火）。並且使用四點探針電阻分析儀、二次離子質譜儀、拉曼光譜儀、以及穿透式電子顯微鏡等技術，分析不同佈植條件與退火參數對於所形成的半導體淺接面的特性與電性的影響。研究的結果顯示：低溫離子佈植後試片的輻射損傷程度較為嚴重，射程較淺，且溝道效應較小。經單一階段 550℃ 1 小時爐管退火後的低溫佈植試片的晶格修復情形較好，且電性活化程度較高。經單一階段 1050℃、25 秒快速熱退火的低溫佈植試片的缺陷密度較少，片電阻值較低，並且暫態增強擴散效應較小。至於兩階段退火方法，因其能在第一階段爐管退火時大量修復晶格，並在第二階段快速熱退火時大量活化摻雜原子，致使其表面片電阻值大幅度的較低。由於低溫佈植試片在第一階段 550℃ 爐管退火中的殘餘缺陷較少，因此第二階段快速熱退火所造成的暫態增強擴散不大。基本上，經550℃ 爐管退火之後的硼原子縱深分佈幾乎呈現沒有呈現明顯的擴散現象，但為了加強修復射程尾端的殘餘缺陷，並降低表面片電阻值，研究結果發現，以先進行 550℃、3 小時的爐管退火，再搭配以 1050℃、25 秒的快速熱退火的兩階段退火為最佳的退火方法。

摘要
誌謝
圖目錄 ………………………………………………………..……… Ⅲ
表目錄 ……………………………………………………...……… VIII
第一章 前言 ………………………………………………………… 1
第二章 文獻回顧 …………………………………………………… 4
第三章 實驗方法 …………………………………………………… 9
3.1 離子佈植 …………………………………………………… 9
3.2 理論模擬 ..……………………………………………..…... 12
3.3 熱退火處理 ……………………………………...………… 13
3.4 特性量測分析 .…………………………………………… 14
3.4.1 拉曼光譜儀 .………….………………...…………… 15
3.4.2 二次離子質譜儀 .…………………………………… 16
3.4.3 四點探針電阻分析儀 .……………………………… 19
3.4.4 穿透式電子顯微鏡 .………………………………… 20
3.4.5 曲線擬合 .…………………………………………… 21
第四章 結果討論 ...……………………………………………… 32
4.1 射束分析 ..………………………………………………… 32
4.2 理論模擬 .…...…………………………………………… 32
4.3 佈植溫度對縱深分佈的影響 ….………………………… 34
4.4 以TEM觀察佈植溫度對輻射損傷之影響 ……….…….… 35
4.5 快速熱退火對元件特性之影響 ……………...….……… 36
4.6 以TEM觀察快速熱退火之後輻射損傷的修復情形 …..… 37
4.7 以拉曼光譜量測佈植溫度與輻射損傷之關係 …......….… 38
4.8 爐管退火對元件特性之影響 …..................................….… 41
4.9 以TEM觀察爐管退火之後輻射損傷的修復情形 .........…. 42
4.10 二階段熱退火對元件特性之影響 ..............................….… 43
4.11 以拉曼光譜量測試片在退火後的修復情形 ...................… 44
第五章 結論與建議 …………..…………………….……………… 68
參考文獻 …………………………………………………………… 71
圖目錄
圖2.1 硼與磷在矽中 90％活化所需的溫度與離子通量的關係圖 …………………………………………………………….. 8
圖3.1 實驗流程圖 ………………………..…………………....…… 24
圖3.2 NEC 9SDH-2串級靜電加速器構示意圖 ..……........……… 25
圖3.3 濺射式陰離子源構造示意圖 ………………………..……… 25
圖3.4 陰極靶構造圖示意圖 ………………………………..……… 26
圖3.5 低溫與室溫佈植靶示意圖…………………..…..…………… 26
圖3.6 高真空退火爐三段式升溫示意圖 …………..……………… 27
圖3.7 快速熱退火爐示意圖 ………………………….….………… 27
圖3.8 波長514.5 nm 氬離子雷射拉曼光譜儀 ……....….………… 28
圖3.9 二次離子質譜儀原理 ……..………………………………… 28
圖3.10 二次離子質譜儀構造示意圖 ……..……..……..…………… 29
圖3.11 片電阻定義示意圖 ……………………….…….…………… 29
圖3.12 四點探針構造示意圖 ………………..……………………… 30
圖3.13 穿透式電子顯微鏡基本結構示意圖 ………………….…… 31
圖4.1 射束分析 .................................................................................. 46
圖4.2 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2的 BGe 分子離子佈植於矽靶材，其佈植之後的硼原子、鍺原子、被移開的矽原子、總缺陷、以及淨缺陷的縱深分佈的 SRIM 模擬計算結果，同時，矽的原子密度（4.98×1022 cm-3）亦繪製其中以利於比較 ………………..…………………………………… 47
圖4.3 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，其硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果 …………………………. 48
圖4.4 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子以 35° 的入射角，分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，其硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果 …………………….… 48
圖4.5 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子佈植於低溫矽靶材，其 XTEM 影像 ………..…….….. 49
圖4.6 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子佈植於室溫矽靶材，其 XTEM 影像………...………… 49
圖4.7 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，再經1050℃、25 秒快速熱退火之後硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果 ………………………………………………..………… 50
圖4.8 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2的 BGe 分子離子以 35° 的入射角，分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，再經1050℃、25 秒快速熱退火之後硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果…………………………………………………………… 50
圖4.9 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於低溫的矽靶材，再經 1050℃、25 秒快速熱退火之後的 XTEM 影像 …….................…… 51
圖4.10 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於室溫的矽靶材，再經 1050℃、25 秒快速熱退火之後的 XTEM 影像 ……..………...…… 51
圖4.11 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於低溫的矽靶材，再經 1050℃、25秒快速熱退火之後的 PTEM 影像 …...…..…...…………... 52
圖4.12 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014cm-2 的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於室溫的矽靶材，再經 1050℃、25 秒快速熱退火之後的 PTEM 影像 …...........……………….... 53
圖4.13 入射能量為 77 keV、離子通量分別為 1×1013、5×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、與 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子佈植於低溫的矽靶材，以波長 514.5 nm 雷射光所量測而得拉曼光譜 ……………………...……………………...… 55
圖4.14 入射能量為 77 keV、離子通量分別為1×1013、5×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、與 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子佈植於室溫的矽靶材，以波長 514.5 nm 雷射光所量測而得拉曼光譜 …………………...…...………………………………… 56
圖4.15 非晶矽的橫向光性聲子散射峰和矽的一階散射峰可分別用兩個不同的高斯函數來進行擬合（fit），並將這兩個擬合所得的高斯函數疊加起來，以描述量測所得的譜線形狀 …....…… 57
圖4.16 高斯函數示意圖 ………………………………..…………… 57
圖4.17 入射能量為 77 keV、離子通量分別為 1×1013、5×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、與 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，以高斯函數擬合其拉曼光譜之中，結晶矽的一階散射峰的結果，由上而下為波峰強度、波峰位置、半高全寬、及峰下的面積 ……….…….. 58
圖4.18 入射能量為 77 keV 離子通量 1×1013、5×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、與 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，以高斯函數擬合其拉曼光譜之中，非晶矽的橫向光性聲子散射峰的結果，由上而下為波峰強度、波峰位置、半高全寬、及峰下的面積 ……....….... 59
圖4.19 入射能量為 77 keV 離子通量 1×1013、5×1013、1×1014、2×1014、5×1014、1×1015、與 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，以高斯函數擬合其拉曼光譜之中，非晶矽的橫向光性聲子峰強度與結晶矽一階散射峰強度的比值（Ia-Si/Ic-Si） ……………………………..…………… 60
圖4.20 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於低溫的矽靶材之後，未退火與經550℃、0.5、1、2、3 小時爐管退火之後的硼原子縱深分佈的SIMS 量測結果 …………………….………..……………… 60
圖4.21 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子以 7° 的入射角，佈植於室溫的矽靶材之後，未退火與經550℃、0.5、1、2、3 小時爐管退火之後的硼原子縱深分佈的SIMS 量測結果 …………………….………..……………… 61
圖4.22 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的BGe 分子離子以 7° 的入射角，分別佈植於低溫與室溫的矽靶材之後，再經 550℃、0.5、1、2、3 小時爐管退火，以四點探針量測片電阻值隨退火時間的變化關係 ……..……………………… 61
圖4.23 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子佈植於低溫矽靶材，其 XTEM 影像 ……………….…… 62
圖4.24 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子佈植於室溫矽靶材，其 XTEM 影像 ……………….…… 62
圖4.25 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的BGe 分子離子佈植於低溫矽靶材，經 550℃、1 小時爐管退火後，其XTEM 影像 ……………………….……………………… 63
圖4.26 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的BGe 分子離子佈植於室溫矽靶材，經 550℃、1 小時爐管退火後，其 XTEM 影像 ………………………..…………………...… 63
圖4.27 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子佈植於低溫的矽靶材之後，未退火與經二階段退火之後的硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果 ………………….…… 64
圖4.28 入射能量為 77 keV、離子通量為 2×1015 cm-2的 BGe 分子離子佈植於低溫的矽靶材之後，未退火與經二階段退火之後的硼原子縱深分佈的 SIMS 量測結果 ………………….…… 64
表目錄
表4.1 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，其在佈植之後的硼原子射程參數的 SIMS 量測結果 ……………….…………… 65
表4.2 入射能量為 77 keV、離子通量為 5×1014 cm-2 的 BGe 分子離子分別佈植於低溫與室溫的矽靶材，經 1050℃、25 秒快速熱退火之後的硼原子射程參數的 SIMS 量測結果 ….… 65
表4.3 入射能量為 77 keV，離子通量 5×1013、5×1014 以及 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子佈植於低溫及室溫的矽靶材，經1050℃、25 秒快速熱退火之後，以 514.5 nm 拉曼光譜量測結晶矽的一階散射峰的強度變化情形 …….…….………… 66
表4.4 入射能量為 77 keV，離子通量 2×1015 cm-2 的 BGe 分子離子佈植於低溫及室溫的矽靶材，經一階段爐管退火及二階段退火之後，以 514.5 nm 拉曼光譜量測結晶矽的一階散射峰的強度變化情形 .………………………………….....………… 67

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