半導體專題實驗 實驗四 氧化層之成長與厚度量測

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1 半導體專題實驗 實驗四 氧化層之成長與厚度量測
Thermal oxidation of Si and oxide thickness measurement

2 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

3 Oxidation in Semiconductor
A Typical MOS Profile Screen Oxide (for imp.), Pad Oxide(buffer oxide, protect active areas), Barrier Oxide, LOCal Oxidation of Silicon

4 Pad Oxide Bird’s beak effect

5 氧化層成長的方法及其應用

6 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 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)

7 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 溫度越高氧化品質越佳 乾氧品質比濕氧高

8 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

9 Color chart of SiO2:

10 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。

11 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 0.55 t 0.44t Original silicon surface Silicon Oxide t

12 熱成長氧化層的機制與模型(II) Model: Ficker’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 No Ni Si SiO2  J=D*No/(D/Ks+Xo)  Xo(t)=A/2 ((1+ ( 4B/A2 ) *(t+) )0.5-1) Deal－Grove Model

13 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。

14 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

15 DRY & WET

16 B=C1*exp(-E1/kT) B/A=C2*exp(-E2/kT) Dry C1 =7.72x102 mm2hr-1 E1 =1.23eV C2 =6.23x106 mmhr-1 E2 =2eV Wet C1 =2.14x102 mm2hr-1 E1 =0.71eV C2 =8.95x107 mmhr-1 E2 =2.05eV

17 X2＋A*X＝B*（t＋τ） Deal－Grove Model 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

18 當t很短時，X很薄，X2＜＜A*X，上式趨近為
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）

19 當t很長時，X變厚，X2＞＞A*X，上式趨近為
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）

20 Molecular density (100): (110): (111):
Thus here the molecular density is (110) > (100) > (111)

21 Distance between layers
(100): (110): (111): Hence the distance between two layers: (110) > (111) > (100) Thus if the oxidation rate on each plane, concerning the molecular density, is not the dominant factor, the rate of thickening the oxide should be fastest for plane (110).

22 Dry oxidation E. A. Irene et al., Journal of The Electrochemical Society, 133 (6), (1986) Initially, (110) > (111) > (100). Eventually, (111) > (110) > (100).

23 Wet oxidation Atmospheric pressure, wet oxidation, ~785 degrees Celsius Initially, (110) > (111) > (100). Eventually, (111) > (110) > (100).

24 Intrinsic SiO2 Film Stress Measurements on Thermally Oxidized Si
E. Kobeda and E. A. Irene, J. Vac. Sci. Technol. B, 5, 15 ~1987.

25 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。

26 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。

27 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。

28 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。

29 橢圓儀結構示意圖

30 橢圓儀(ellipsometer)

31 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 (imp.)、Pad Oxide、Gate Oxide
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 (imp.)、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

32 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。

33 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。

34 Scanning Probe Microscope
表面軌跡分析儀(SPM)示意圖 Scanning Probe Microscope

35 步驟： 用丙酮，甲醇，和去離子水清洗晶片。 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。
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。 比對長有氧化層之晶片的顏色。 使用橢圓儀(ellipsometer)量得氧化層厚度。 使用C-V量測氧化層厚度

36 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。

37 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，以免石英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。 實驗晶片前後加入檔片，讓氣流穩定

38 高溫爐系統圖

39 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。

40 結報問題 1. Find and compare the oxide thickness from the following methods 1.Table 2.Deal-Grove Model 3.Color chart (optical) 4.Ellipsometer (optical) 5.C-V (electrical) Find VFB Find Qox Find Na, Nd 跟過去實驗的濃度做比較