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研究生： 石東益
Dong-Yi Che
論文名稱： 矽鍺半導體材料與鈷矽鍺化合物間相平衡與擴散之探討
指導教授： 高振宏
C. Robert Kao
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程與材料工程學系
Department of Chemical & Materials Engineering
畢業學年度： 88
語文別： 中文
論文頁數： 224
中文關鍵詞： 鈷矽鍺擴散 、鈷矽鍺相平衡 、鈷矽鍺半導體
外文關鍵詞： Co-Si-Ge phase diagram, Co-Si-Ge semiconductor, Co-Si-Ge diffusion
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    • 本論文第一部份以實驗測定矽鍺鈷系統在700oC與950℃之三元平衡相圖。此部份的研究中，本論文利用粉末X光繞射(XRD)、電子微探儀(EPMA)及金相觀察等分析方法來測定700oC與950℃矽鍺鈷三元相圖。實驗中發現到矽鍺相在合金製造過程中有嚴重的偏析現象，以致於矽鍺相很難達成組成均勻。此一相圖與SiGe半導體相關之部份簡述如下:在700℃下，CoSi2與Si1-xGex相平衡之x值為0.78，在950℃下，CoSi2與Si1-xGex相平衡之x值為0.65。此外，於700℃與950℃也決定出固溶液Co(Si1-yGey)的穩定組成範圍為0≦y≦0.71。藉由本論文所決定之相圖可完整地解釋文獻中Co/Si1-xGex界面反應時所發生的現象。除此之外，我們也利用感應偶合電漿來測定矽鍺中Co之溶解量。
    此外本論文亦測定Co-CoSi-CoGe三角形區域之相圖，在加上Si-Ge-CoSi-CoGe梯形區域之相圖，可完整地建立950℃矽鍺鈷三元平衡相圖。論文中並以本實驗所決定出的相圖與文獻做比對，討論其中的差異。
    本研究之第二部份是對矽鍺鈷三元系內之擴散行為作一初步探討。本論文決定出CoSi2/Ge與CoSi/Ge 在950℃下的擴散路徑，所得的結果為950℃下CoSi2與Si1-xGex相平衡之x值為0.65。此結果於相圖所得的結果相同。此外，本論文亦做了以下之交互擴散實驗 : (1)700℃下Co/Ge之交互擴散。(2)700℃下Co/Si之交互擴散。(3)750℃下Co/CoGe之交互擴散。(4)750℃下Co/CoGe2之交互擴散。(5)900℃下Si/CoGe之交互擴散。

    圖1-1：An IBM NPN Bipolar Transister4 圖1-2：Al-Si 二元相圖10 圖1-3：鋁穿突(Al-Spike)現象示意圖10 圖1-4：自動對準金屬矽化技術(SALICIDE)之製程及複晶金屬矽化物 (POLYCIDE)製程13 圖2-1：Ge-Si二元平衡相圖17 圖2-2：Co-Si二元平衡相圖19 圖2-3：Hansen所測定之Co-Ge二元平衡相圖21 圖2-4：Ishida等人所測定之Co-Ge二元平衡相22 圖2-5：Wald等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖24 圖2-6：Co(Si1-yGey)中y值與晶格常數之關係圖24 圖2-7：Kavish等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖25 圖2-8：黃成吉所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖27 圖2-9：Co/Si二元系統固態反應之演繹圖30 圖2-10：Co/Ge二元系統固態反應之演繹圖30 圖2-11：Co/Si1-xGex三元系統固態反應之演繹圖31 圖2-12：物質從高化學未能往低化學位能擴散曲線33 圖2-13：(2-3)式到(2-5)式的濃度C與擴散距離X間的關係35 圖2-14：原子擴散機制圖38 圖2-15：Matano界面之位置39 圖2-16：假想之擴散數據曲線40 圖2-17：典型的感應耦合電漿結構42 圖2-18：感應偶合電漿原子發射光譜儀組件構造43 圖2-19：將樣品射入-電漿源之典型霧化器44 圖3-1：CoSi2、CoSi薄片於Ge碎塊中之放置圖57 圖3-2：不銹鋼夾具之裝置圖60 圖3-3：真空爐內固態反應之裝置圖60 圖3-4：固態反應中擴散溫度對時間作圖61 圖3-5：ICP實驗中消化過程之流程圖65 圖4-1：測試合金Y1到Y14在相圖中的位置67 圖4-2：測試合金Y2之XRD小角度分析68 圖4-3：測試合金Y1至Y8之XRD圖譜69 圖4-4：測試合金Y9至Y14之XRD圖譜70 圖4-5：測試合金Y2、Y5、Y10及Y12之金相照片73 圖4-6：方程式(4.1)示意圖75 圖4-7：以英文字母A到H作為Si-Ge-CoGe-CoSi梯形相圖中各平衡區域之標 示76 圖4-8：A區合金在相圖中的位置77 圖4-9：合金AH2之光學顯微鏡觀察結果79 圖4-10：A區合金之XRD圖譜80 圖4-11：A區合金在相圖中的位置及分析結果81 圖4-12：B區合金在相圖中的位置82 圖4-13(a)：合金B6之光學顯微鏡觀察結果85 圖4-13(b)：合金BH3之光學顯微鏡觀察結果85 圖4-14：700℃B區合金之XRD圖譜87 圖4-15：950℃B區合金之XRD圖譜87 圖4-16：B區合金在相圖中的位置及分析結果89 圖4-17：C區合金在相圖中的位置90 圖4-18：合金C1之光學顯微鏡觀察結果92 圖4-19：合金CH3於熱處理前後之形態93 圖4-20：Co-Ge二元相圖的演繹圖94 圖4-21：C區合金之XRD圖譜96 圖4-22(a)：以EPMA所決定出700℃之tie-lines走向98 圖4-22(b)：以XRD所決定出700℃之tie-lines走向98 圖4-23(a)：以EPMA所決定出950℃之tie-lines走向99 圖4-23(b)：以XRD所決定出700℃之tie-lines走向99 圖4-24：D區合金在相圖中的位置100 圖4-25：合金D1之光學顯微鏡觀察結果102 圖4-26：D區合金之XRD圖譜104 圖4-27：D區合金在相圖中的位置及分析結果105 圖4-28：E區合金在相圖中的位置106 圖4-29：合金E1之光學顯微鏡觀察結果108 圖4-30：E區合金之XRD圖譜109 圖4-31：E區合金在相圖中的位置及分析結果110 圖4-32：F區合金在相圖中的位置111 圖4-33：合金F1之掃描式電子顯微鏡二次電子(SEI)圖像113 圖4-34：F區合金之XRD圖譜114 圖4-35：F區合金在相圖中的位置及分析結果115 圖4-36：G區合金在相圖中的位置116 圖4-37：合金G1之光學顯微鏡觀察結果117 圖4-38：G區合金之XRD圖譜118 圖4-39：G區合金在相圖中的位置及分析結果119 圖4-31：I區合金在相圖中的位置86 圖4-32：合金I1之光學顯微鏡觀察結果87 圖4-33：I區合金之XRD圖譜88 圖4-34(a)：本論文所測定之Si-Ge-CoGe-CoSi梯形相圖91 圖4-34(b)：Wald等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖91 圖4-34(c)：Kavish等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖91 圖4-35(a)：合金H1a之光學顯微鏡觀察結果94 圖4-35(b)：合金H2a之光學顯微鏡觀察結果94 圖4-36：合金H1a之XRD圖譜95 圖4-37：合金H2a之XRD圖譜96 圖4-38：Co5Ge7之DTA升溫曲線圖97 圖4-39：DTA分析結果決定出Co5Ge7附近之相變化示意圖97 圖4-40：以本論文所測定之相圖來解釋Co薄膜與Si1-xGex合金之高溫固態 反應行為 100 圖4-41：以Si犧牲層來成長穩定接觸材料的方法101 圖5-1：測試合金Y1到Y8在相圖中的位置103 圖5-2：測試合金Y7之光學顯微鏡觀察結果105 圖5-3：以英文字母K到U作為Co-CoSi-CoGe三角形相圖中 各平衡區域之標示107 圖5-4：K區合金在相圖中的位置及其tie-lines走向108 圖5-5(a)：合金K1之光學顯微鏡觀察結果110 圖5-5(b)：合金K2之光學顯微鏡觀察結果110 圖5-6：K區合金之XRD圖譜111 圖5-7：L區合金在相圖中的位置113 圖5-8：合金L2之掃描式電子顯微鏡二次電子(SEI)圖像114 圖5-9：合金L2之掃描式電子顯微鏡背反電子(BEI)圖像115 圖5-10：L區合金之XRD圖譜116 圖5-11：M區合金在相圖中的位置及其tie-lines走向118 圖5-12(a)：合金M2之光學顯微鏡觀察結果120 圖5-12(b)：合金M3之光學顯微鏡觀察結果120 圖5-13：M區合金之XRD圖譜121 圖5-14：N區合金在相圖中的位置123 圖5-15：合金N2之光學顯微鏡觀察結果124 圖5-16：N區合金之XRD圖譜125 圖5-17：O區合金在相圖中的位置127 圖5-18：合金O1之光學顯微鏡觀察結果128 圖5-19：O區合金之XRD圖譜129 圖5-20：P區合金在相圖中的位置131 圖5-21：合金P4之光學顯微鏡觀察結果133 圖5-22：合金P5之光學顯微鏡觀察結果134 圖5-23：合金P2之光學顯微鏡觀察結果135 圖5-24：P區合金之XRD圖譜136 圖5-25：Q區合金在相圖中的位置138 圖5-26：合金Q1之光學顯微鏡觀察結果139 圖5-27：Q區合金之XRD圖譜140 圖5-28：實驗所得、JCPDS以及模擬之XRD圖譜比對141 圖5-29：R區合金在相圖中的位置及其tie-lines走向143 圖5-30(a)：合金R1之光學顯微鏡觀察結果145 圖5-30(b)：合金R3之光學顯微鏡觀察結果145 圖5-31：S區合金在相圖中的位置147 圖5-32：合金S1之光學顯微鏡觀察結果148 圖5-33：T區合金在相圖中的位置150 圖5-34：合金T2之光學顯微鏡觀察結果151 圖5-35：U區合金在相圖中的位置153 圖5-36：合金U1之光學顯微鏡觀察結果154 圖5-37(a)：本論文所測定之Co-CoSi-CoGe三角形相圖156 圖5-37(b)：Wald等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖156 圖5-37(c)：Kavish等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖156 圖6-1：Co-Ge擴散反應之光學顯微鏡觀察結果160 圖6-2：Co-Ge擴散反應EPMA Line-scan之分析結果161 圖6-3：Co-CoGe擴散反應之光學顯微鏡觀察結果164 圖6-4：Co-CoGe擴散反應EPMA Line-scan之分析結果165 圖7-1(a)：本論文所測定之Co-Si-Ge三元相圖171 圖7-1(b)：Wald等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖171 圖7-1(c)：Kavish等人所測定之Co-Si-Ge三元平衡相圖171 圖7-2(a)：本論文所測定之Co-Si-Ge三元相圖172 圖7-2(b)：本論文所測定之Co-Si-Ge三元相圖及各兩相區 tie-lines之走向172

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