Transcript 半導體專題實驗 實驗五 氧化層之成長與厚度量測

半導體專題實驗
實驗五
氧化層之成長與厚度量測
目的:
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
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)
 Si (s) + O2 (g) → SiO2 (s)
濕式氧化 (Wet Oxidation)
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
Oxide
0.55 t
0.44t
t
Silicon
Original silicon surface
熱成長氧化層的機制與模型(II)
No
Ni
 Model:
 Flicker’s Law: J=D(No-Ni)/Xo SiO2
 Reaction rate: J=Ks*Ni
 J=D*No/(D/Ks+Xo)
 dXo/dt = J/M =(D*No/M) / (Xo+D/Ns)
Si
 Xo(t)=A/2 ((1+ ( 4B/A2 ) *(t+) )0.5-1)
 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
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
&
WET
Deal－Grove Model
X2＋A*X＝B*（t＋τ）
X表示氧化層厚度
t表示反應時間
τ為成長到native oxide厚度所需之時間
Deal－Grove Model
X2＋A*X＝B*（t＋τ）
當t很短時，X很薄，X2＜＜A*X，上式趨近為
A*X＝B*（t＋τ）
X＝B*（t＋τ）/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
X2＋A*X＝B*（t＋τ）
當t很長時，X變厚，X2＞＞A*X，上式趨近為
X2＝B*（t＋τ）
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：
Δφ＝2*N*π
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。
橢圓儀的原理
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。
橢圓儀結構示意圖
橢圓儀(ellipsometer)
各種氧化層的應用
乾氧生長：
生長速率漸慢，品質較佳，適合Screen Oxide、Pad Oxide、
Gate Oxide
濕氧生長：
H2O於高溫下分解成HO，可快速擴散通過SiO2，生長速率快，適
合Masking Oxide、Blanket Field Oxide、LOCOS Oxide
高壓生長：
壓力越高，oxidant在oxide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
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
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。