半導體專題實驗

實驗五氧化層之成長與厚度量測

以乾氧與濕氧方式成長氧化層

量測其厚度

探討氧化條件和厚度的關係

目的 :

Oxidation in Semiconductor

A Typical MOS Profile

Screen Oxide, Pad Oxide, Barrier Oxide

熱成長氧化層的機制與模型

乾氧生長 (O2) ; 濕氧生長 (H2O)

成長 X 厚度的 SiO2 需消耗 0.44X 厚度矽

溫度越高 生長速度越快 氧化品質越佳

Introduction 氧化層的形成方法可以分成兩種 :

非消耗性的氧化層沉積化學氣相沉積法 (CVD)物理氣相沉積法 (PVD)

消耗性的氧化層沉積乾式氧化 (Dry Oxidation)

濕式氧化 (Wet Oxidation)

Si (s) + O2 (g) → SiO2 (s)

Si (s) + 2H2O (g) → SiO2 (s) + 2H2 (g)

熱成長氧化層的機制與模型 (I)

為什麼叫做“消耗性”氧化層 ?? 將矽基材置於含氧的條件下，在矽表面氧化形成

一層二氧化矽。由於該層二氧化矽會消耗部份的矽表層，我們將之歸類為消耗性氧化性成長

t

0.55 t

0.44tOriginal silicon surface

Silicon

Oxide

熱成長氧化層的機制與模型 (II)

Model: Flicker’s Law: J=D(No-Ni)/Xo

Reaction rate: J=Ks*Ni

dXo/dt = J/M =(D*No/M) / (Xo+D/Ns)

A=2D/Ks , B=2D*No/M = Xi2/B + A*Xi/ B

Xi 為一開始氧化層的厚度X0 可以看成 Xo(t)=B/A (1+ )

當經過一段長時間後 ,

Xo(t)=(Bt) 1/2

J=D*No/(D/Ks+Xo)

SiO2

SiNo Ni

Xo(t)=A/2 ((1+ ( 4B/A2 ) *(t+) )0.5-1)

熱成長氧化層的機制與模型 (III)

當氧化層有相當厚度時，氧在 SiO2 內的擴散常數會相對變低，因為氧的擴散能力不足， Si-SiO2 介面的氧分子濃度將趨於零，而 SiO2 表面的含氧量也因此將與氣相內的含氧濃度相當，此時的氧化速率將由氧分子在二氧化矽中的擴散速率所主導，又稱為 diffusion control case 。

反之，在氧化層厚度很薄的狀況下，氧分子在 SiO2 的擴散係數相對於 SiO2 是足夠大時，此時的氧化速率將由氣氛中的氧分子濃度及氧化反應常數 Ks 所主導，又稱為 reaction control case 。

熱成長氧化層的機制與模型 (IV)

影響氧化的因素 : 氧化溫度 晶片方向 氧化壓力 雜質濃度 表面清洗

速率 : 溫度高 > 溫度低

速率 : (111) > (110) > (100)

速率 : 壓力高 > 壓力低

氧化層成長的方法及其應用

氧化層厚度與其顏色之關係 隨著厚度的變化可以看到不同的顏色 , 雖然

在現今先進的 Fab 廠中已不再使用來做為厚度觀測的方式 , 但仍然是一項可以快速用來觀察是否有明顯的不平坦的情況發生

DRY & WETDRY & WET

XX22 ＋＋ A*XA*X ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ ）） XX 表示氧化層厚度表示氧化層厚度

tt 表示反應時間表示反應時間

ττ 為成長到為成長到 native oxidenative oxide 厚度所需之時厚度所需之時間間

Deal － Grove Model

Deal － Grove Model

XX22 ＋＋ A*XA*X ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ ））

當當 tt 很短時，很短時， XX 很薄，很薄， XX22 ＜＜＜＜ A*XA*X ，，上式上式趨近為趨近為

A*XA*X ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ））

XX ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ）） /A/A此時稱為 linear growth regime 或 linear rate regime

B/A 稱為 Linear rate Constant ，受控於 K （反應速率）

Deal － Grove Model

XX22 ＋＋ A*XA*X ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ ））

當當 tt 很長時，很長時， XX 變厚，變厚， XX22 ＞＞＞＞ A*XA*X ，，上式趨近為 上式趨近為

XX22 ＝＝ B*B* （（ tt ＋＋ ττ）） 此時稱為 diffusion-limited regime

或 parabolic rate regime

B 稱為 Parabolic rate Constant ，受控於 D

（ oxidant 在 SiO2 內之擴散速率）

氧化層厚度與其顏色之關係

利用氧化層顏色變化判斷厚度概值，主要是因為在氧化層表面反射和在矽晶片表面反射的兩道光線，因為具有光程差而形成干涉現象產生，而產生建設性干涉的條件為：

ΔφΔφ ＝＝ 2*N*2*N*ππ

利用 HF 進行蝕刻，將晶片上下進出 HF 溶液，將氧化層蝕刻出厚度漸變的梯度，從顏色的週期變化可以得知厚度範圍，再配合 color chart 得知較正確之厚度。

Color chart of SiO2:

金氧半電容元件之電容－電壓特性

從 I-V 可以得知 oxide breakdown 特性，漏流大小及機制。

從 C-V 可以得知氧化層內部電荷量，氧化層厚度，介面能階特性。

可以配合加熱系統，量測 I-V 及 C-V 變化，得知穩定性。

橢圓儀的簡介 一種用於測量一束偏振光從被研究的表面或薄膜

上反射後偏振狀態產生變化的光學儀器 , 用它可以得到表面或薄膜的有關物理參量的信息。

1808 年 ,馬呂斯探測到反射光線的偏振性 ,1889 年 P.K.L.德魯德建立了橢圓偏振測量的基本方程式 , 奠定了橢圓偏振測量技術的發展基礎。它是一種無損的測量方法 , 並且對於表面的微小變化有極高的靈敏性 , 例如可以探測出清潔表面上只有單分子層厚度的吸附或污染。

它在各個領域中 , 如物理﹑化學﹑材料和照相科學﹑生物學以及光學﹑半導體﹑機械﹑冶金和生物醫學工程中得到了廣泛的應用。

橢圓儀的原理

利用雷射光通過 oxide ，由反射之極化現象改變量，換算出厚度及折射係數 n。

oxide 在 λ=633nm 之下時，折射係數n=1.46 。

採大的入射角，測出 P偏極光與 S偏極光反射量與相位差，進而算出各項參數。

在測量時，旋轉接收端的偏振片，使 detector端能夠收到能量最小的光線。

雷射通過偏振片而成為橢圓或是圓形偏振，而在經過反涉及二次反射後，若要形成最小光線，則通過 analyzer 的光線一定要轉為線性偏振(linear polarization) 。

在雷射光入射的角度上，選擇靠近 Brewster angle ( 在 SiO2 中約為 70°) ，再針對反射回來的 TE 光進行偏振濾波。

橢圓儀的原理

橢圓儀結構示意圖

橢圓儀 (ellipsometer)

各種氧化層的應用各種氧化層的應用乾氧生長：乾氧生長：

生長速率漸慢，品質較佳，適合生長速率漸慢，品質較佳，適合 Screen OxideScreen Oxide 、、 Pad Pad OxideOxide 、、 Gate OxideGate Oxide

濕氧生長：濕氧生長：

HH22OO 於高溫下分解成於高溫下分解成 HOHO ，，可快速擴散通過可快速擴散通過 SiOSiO22 ，，生長速率快，生長速率快，適合適合 Masking OxideMasking Oxide 、、 Blanket Field OxideBlanket Field Oxide 、、 LOCOS LOCOS OxideOxide

高壓生長：高壓生長：

壓力越高，壓力越高， oxidantoxidant 在在 oxideoxide 內之擴散流量越大，氧化越快，內之擴散流量越大，氧化越快，可縮短氧化時間，避免高溫下，之前佈植的雜質亂跑可縮短氧化時間，避免高溫下，之前佈植的雜質亂跑

乾氧生長乾氧生長在製造過程中，會使用 HCl 、 N2 、 O2三種氣體。

其用途分別如下：

HCl ：去除mobile ions（例如 Na+ ）用。

N2 ： purge N2 做為 Chamber purge 用，隨時打開； process N2 具有高純度，於製程反應時參入，做為 carrier gas 及調節分壓用。

O2 ：做為反應材料。

濕氧生長濕氧生長合成 H2O vapor至石英管的方法：

Boiler System ：將水溫升至 100℃ ，蒸氣進入石英管。

Bubbler System ： N2通過 DI Water（接近100℃ ，但是未沸騰），將水氣帶入石英管。

Flush System ： DI Water 水滴至加熱板蒸發，O2帶入石英管。

表面軌跡分析儀 (SPM)示意圖

步驟： 1. 用丙酮，甲醇，和去離子水清洗晶片。2. 用稀釋氫氟酸溶液將表層氧化層蝕刻，以去離子水沖洗五分鐘，再以氮氣吹乾。

3. 將數片晶片順序緩緩怡入高溫爐中，依條件成長氧化層，氧化完成後，使用石英拉桿將載有晶片的石英舟緩緩拉出，於爐口冷卻五分鐘後，再置入另一晶片。

4. 比對長有氧化層之晶片的顏色。5. 使用橢圓儀 (ellipsometer) 量得氧化層厚度。

廢液回收 本實驗所產生的廢液包含丙酮、甲醇，所以

應該傾倒在有機廢液回收筒。

氫氟酸屬於高腐蝕性無機酸類，應另外存放於廢液回收筒中，不可以玻璃製容器呈裝。

注意事項 :

石英桿須以單手操作以免燙傷，且在移動過程中勿碰觸其他東西。

晶片放進 furnace 時要緩慢移動，以免晶片溫度變化過大而破裂。

晶片依序放在插槽，確定不會滑落，且晶片都要放同一個方向。

用橢圓儀量晶片厚度時，要量中間。

高溫爐系統圖

石英桿必須以單手操作以免燙傷。 晶片移入高溫爐時要慢慢移動。