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研究生： 曾柏淵
Po-Yuan Tseng
論文名稱： 使用鍺甲烷超高真空化學氣相沉積法於矽晶圓上的異質奈米結構選擇性磊晶成長 之研究
Formation of germanium quantum dots by GeH4-UHV-CVD
指導教授： 洪儒生
Lu-Sheng Hong
口試委員: 林麗瓊
Li-Chyong Chen
李嘉平
Chia-Pyng Lee
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 化學工程系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 94
中文關鍵詞： 奈米結構 、鍺量子點 、超高真空 、選擇性化學氣相沉積 、超薄氧化層
外文關鍵詞： Nanostructure, Ge quantum dots, UHV, Selective CVD, Ultra-thin SiO2
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    • 摘要
    關鍵詞：奈米結構、鍺量子點、超高真空、選擇性化學氣相沉積、超薄氧化層

    本論文乃以鍺甲烷作為原料氣體的超高真空化學氣相沉積法，探討在Si(100)與SiO2/Si(100)基材上以選擇性化學氣相沉積方式製作異質的鍺奈米結構現象。初期先就有關異質介面Ge/Si系統的奈米結構成長做為探討的議題，選擇採用分解溫度較低的鍺甲烷超高真空化學氣相反應沉積系統進行鍺磊晶成長的探討。結果發現在580 ℃及鍺甲烷分壓為10-4 Torr下，在Si(100)表面的鍺磊晶成長依循著S-K成長模式(Stranski-Krastanov)，即先在表面形成約為3.8個鍺原子的連續層，之後形成三度空間的核。此外，發現於同一條件下在超薄氧化層SiO2上-Si-OH終端表面無任何的鍺沉積，表示鍺甲烷在Si-H與Si-OH不同終端表面具有選擇性的成長行為。特別值得注意的現象是當成長中加入離子化機制時，經3分鐘沉積後可長出直徑約10~15奈米，密度高達3x1010cm-2且均勻分布的鍺量子點結構。

    Abstract
    Keywords: Nanostructure, Ge quantum dots, UHV, Selective CVD, Ultra-thin SiO2

    By performing GeH4-UHV-CVD, we discuss about the selective epitaxial growth of germanium quantum dots on Si(100) and SiO2/Si(100) substrates. Firstly applying GeH4 of lower dissociation temperature for UHV-CVD to observe the growth behavior of Ge/Si hetero-structure, we found the Stranski-Krastanove mode was followed under temperature of 580 ℃ and reactant pressure of 10-4 Torr, i.e. the Ge atoms formed a wetting layer of 3.8 ML in thickness on the surface and then the growth mode transits into 3D island growth. Meanwhile we found no Ge atom deposited on the SiO2 with Si-OH terminated surface under the same experimental condition which conforms the selective growth behavior of GeH4 on Si-H and Si-OH terminated surfaces. Special attention was drawn to the phenomenon that when we introduce the ionization mechanism into our process, we obtain Ge quantum dots of 10~15 nm in diameter and a density of 3×1010 cm-2 with uniform size distribution under 3 min growth.

    目 錄 中文摘要 .....................................................................................Ⅰ 英文摘要 .....................................................................................Ⅱ 誌謝 ............................................................................................Ⅲ 目錄 ............................................................................................Ⅳ 圖索引 ……………………………………………………………..…Ⅶ 表索引 .....................................................................................ⅩⅢ 第一章 緒論 1.1 導言..……………………………………………………1 1.2 異質磊晶系統中的薄膜成長…………………………..3 1.3 量子點元件的發展……………………………………..5 1.4 鍺量子點的製備方式…………………………………10 1.5 研究動機與目的………………………………………13 第二章 實驗相關部分 2.1 實驗氣體及藥品……………………………………...15 2.2 實驗裝置 2.2-1 反應腔體……………………………………….18 2.2-2 加熱系統……………………………………….18 2.2-3 傳送系統……………………………………….19 2.2-4 抽氣系統……………………………………….19 2.3 實驗流程 2.3-1 Si基材的前處理………………………………21 2.3-2 Si(100)基材上SiO2/Si之覆罩表面/活性表面的製作…………………………………………….23 2.3-3 實驗程序……………………………………….27 2.4 分析儀器……………………………………………...29 第三章 結果與討論 3.1 GeH4-UHV-CVD在Si(100)基材上的自我組織鍺量子點成長………………………………………………...31 3.2 GeH4-UHV-CVD在SiO2/Si上的選擇性成長 3.2-1 在Si(100)基材上以熱氧化法成長超薄SiO2層的厚度分析…………………………………….49 3.2-2 GeH4-UHV-CVD在不同終端矽基材表面的選擇性沉積分析…………………………………….57 3.2-3 GeH4-UHV-CVD在Si(100)基材上SiO2/Si之覆罩表面/活性表面的選擇性成長………………64 3.3 離子壓力計的開關對鍺量子點形成的影響………...70 3.4 不同GeH4反應壓力對沉積機率的影響…………….81 第四章 結論………………………………………………………….89 參考資料……………………………………………………………….90 作者簡介……………………………………………………………….94 圖索引 圖1.2-1 異質磊晶系統中薄膜成長模式。……………………………4 圖1.3-1 單電子電晶體結構示意圖。…………………………………7 圖1.3-2 單電子電晶體工作原理示意圖。……………………………7 圖1.3-3 量子點在邏輯線路的應用。…………………………………8 圖1.3-4 量子點紅外光偵測器結構示意圖。…………………………9 圖1.3-5 量子點紅外光偵測器工作原理示意圖。……………………9 圖1.4-1 於V型溝槽矽窗內沉積鍺。………………………………..11 圖1.4-2 矽鍺異質磊晶成長模式。…………………………………..12 圖1.5-1 在矽基材上製作奈米結構的示意圖。……………………14 圖2.2-1 利用UHV-CVD成長量子點並配合即場式XPS分析之儀器 結構示意圖。………………………………………...……..20 圖2.3-1 矽基材清洗程序。…………………………………………..22 圖2.3-2 Si(100)基材上SiO2/Si之覆罩表面/活性表面的製作流程。 ………………………………………………………………25 圖2.3-3 電子束微影pattern於實驗晶片上的分布位置圖。……….26 圖2.3-4 GeH4-UHV-CVD的升溫程序流程圖。……………………28 圖3.1-1 腔體內反應壓力(gauge pressure)與foreline壓力的關係。 ………………………………………………………………38 圖3.1-2 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下之AFM表面掃描圖。 反應時間分別為：(a) 2分鐘，(b) 3分鐘，(c) 5分鐘，(d) 10 分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。…………..39 圖3.1-3 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下之AFM截面分析圖。 反應時間分別為：(a) 3分鐘，(b) 5分鐘，(c) 10分鐘。基 材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。……………………40 圖3.1-4 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下之AFM Grain Size 分析圖。反應時間分別為：(a) 3分鐘，(b) 5分鐘，(c) 10 分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。…………..41 圖3.1-5 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下即場式XPS Ge 2p3/2 細掃描圖譜。反應時間分別為：(a) 2分鐘，(b) 3分鐘，(c) 5分鐘，(d) 10分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。………………………………………………………..42 圖3.1-6 實驗樣品於大氣氣氛下暴露30分鐘後之非即場式XPS Ge 2p3/2細掃描圖譜與分峰結果。…………………………….43 圖3.1-7 Si(100)基材在不同的GeH4反應時間對量子點成長密度關 係。………………………………………………………….44 圖3.1-8 Si(100)基材在不同GeH4反應時間下即場式XPS Si 2p細 掃描圖譜。(a) 未反應之Si(100)基材，(b) 反應時間為2 分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。…………..45 圖3.1-9 Si(100)表面在GeH4反應時間10分鐘下之FE-SEM平面 掃描圖。放大倍率分別為(a) 80K，(b) 130K。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr。…………………………………46 圖3.1-10 正方形底座角錐狀物(pyramids)與圓形底座圓頂狀物 (domes)的AFM示意圖。………………………………….47 圖3.2-1 Si(100)基材在不同熱氧化處理時間下的XPS Si 2p細掃描 圖譜。熱氧化處理時間分別為(a) 3分鐘、(b) 5分鐘、(c) 7 分鐘、(d) 10分鐘。反應溫度850 ℃，氧氣流量為25 sccm。 ......................................................................................53 圖3.2-2 以橢圓儀與XPS分析熱氧化SiO2層厚度結果比較。……54 圖3.2-3 AFM表面均方根粗糙度分析圖。(a) SiO2，(b) Si的表面。 ………………………………………………………………55 圖3.2-4 Si(100)基材在不同熱氧化處理時間下之非即場式XPS C 1s細掃描圖譜。熱氧化處理時間分別為(a) 3分鐘、(b) 5 分鐘、(c) 7分鐘、(d) 10分鐘。反應溫度850 ℃，氧氣流 量25 sccm。...................................................................56 圖3.2-5 AFM影像圖顯示於Si(100)基材上不同終端基表面經3分 鐘反應時間的選擇性成長。(a) Si-OH終端，(b) Si-H終端。 反應壓力為1×10-4 Torr。…………………………………..60 圖3.2-6 SiO2表面之AFM表面均方根粗糙度分析圖。(a) GeH4-CVD前，(b) GeH4-CVD後的表面。反應時間3分 鐘，反應壓力1×10-4 Torr。…………………………………61 圖3.2-7 SiO2表面之AFM截面分析圖。(a) GeH4-CVD前，(b) GeH4-CVD後的表面。反應時間3分鐘，反應壓力1×10-4 Torr。………………………………………………………..62 圖3.2-8 XPS Ge 2p3/2 細掃描圖譜。顯示於GeH4於Si(100)基材 上不同終端表面經3分鐘反應時間的選擇性成長。(a) Si-OH終端，(b) Si-H終端。………………………………..63 圖3.2-9 以電子束微影製作pattern的SEM表面掃描圖。Pattern 的形式分別為：(a) 直徑為50 nm洞的陣列(array)，彼此 中心距離100 nm；(b) 直徑為50 nm洞的陣列，彼此中心 距離400 nm；(c) 線寬50 nm的線陣列，彼此中心距離 1000 nm。......................................................................68 圖3.2-10 SiO2/Si基材在經過GeH4-UHV-CVD後的SEM表面掃描 圖。放大倍率分別為：(a) 500，(b) 11K。基材溫度580 ℃， 反應壓力1×10-4 Torr，反應時間3分鐘。………………….69 圖3.3-1 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下之AFM表面掃描圖。 反應時間分別為：(a) 2分鐘，(b) 3分鐘，(c) 5分鐘，(d) 10 分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr，離子壓力 計開啟。……………………………………………………74 圖3.3-2 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下之AFM截面分析圖。 反應時間分別為：(a) 2分鐘，(b) 3分鐘，(c) 5分鐘，(d) 10 分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr，離子壓力 計開啟。……………………………………………………75 圖3.3-3 離子壓力計的開關狀態對鍺量子點成長密度之影響。…..76 圖3.3-4 Si(100)表面在不同GeH4反應時間下即場式XPS Ge 2p3/2 細掃描圖譜。反應時間分別為：(a) 2分鐘，(b) 3分鐘，(c) 5分鐘，(d) 10分鐘。基材溫度580 ℃，反應壓力1×10-4 Torr，離子壓力計開啟。…………………………………….77 圖3.3-5 Si(100)基材表面在不同GeH4反應時間下離子壓力計開關 對XPS Ge 2p3/2細掃描圖譜積分面積強度關係。……….78 圖3.3-6 Si(100)基材在室溫下通入GeH4反應3分鐘之即場式XPS Ge 2p3/2 細掃描圖譜。(a) 離子壓力計關閉，(b) 離子壓力 計開啟。…………………………………………………….79 圖3.3-7 Si(100)基材表面之AFM均方根粗糙度分析。(a) 離子壓力 計開啟，(b) 離子壓力計關閉。室溫下，GeH4反應壓力 1×10-4 Torr，反應時間3分鐘。…………………………….80 圖3.4-1 Si(100)基材表面在不同GeH4反應壓力下之即場式XPS Si 2p細掃描圖譜。反應壓力分別為：(a) 5×10-5，(b) 1×10-4， (c) 5×10-4 Torr。基材溫度580 ℃，反應時間3分鐘，離子 壓力計關閉。……………………………………………….86 圖3.4-2 Si(100)基材表面在不同GeH4反應壓力下之即場式XPS Ge 2p3/2細掃描圖譜。反應壓力分別為：(a) 5×10-5，(b) 1×10-4，(c) 5×10-4 Torr。基材溫度580 ℃，反應時間3分 鐘，離子壓力計關閉。………………………………………87 圖3.4-3 在不同GeH4反應壓力下之沉積係數變化關係圖。基材溫 度580 ℃，反應時間3分鐘。………………………………88 表索引 表3.1-1 不同GeH4反應時間下的鍺量子點成長實驗條件。………37 表3.2-1 在Si(100)基材上製備超薄SiO2層之實驗條件。………...52 表3.2-2 GeH4在不同終端表面選擇性沉積之實驗條件。…………59 表3.2-3 GeH4在Si(100)基材上SiO2/Si的選擇性成長實驗條件 ......................................................................................67 表3.3-1 不同GeH4反應時間下的鍺量子點成長實驗條件。………73 表3.4-1 改變GeH4反應濃度的實驗條件。…………………………84 表3.4-2 改變GeH4反應濃度對沉積係數關係…………………….85

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