氧化層厚度與其顏色之關(guān)系課件

半導(dǎo)體專題實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五氧化層之成長(zhǎng)與厚度量測(cè)半導(dǎo)體專題實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五以乾氧與濕氧方式成長(zhǎng)氧化層量測(cè)其厚度探討氧化條件和厚度的關(guān)係目的:以乾氧與濕氧方式成長(zhǎng)氧化層目的:OxidationinSemiconductorATypicalMOSProfileScreenOxide,PadOxide,BarrierOxideOxidationinSemiconductorATy熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型乾氧生長(zhǎng)(O2);濕氧生長(zhǎng)(H2O)成長(zhǎng)X厚度的SiO2需消耗0.44X厚度矽溫度越高生長(zhǎng)速度越快氧化品質(zhì)越佳熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型乾氧生長(zhǎng)(O2);濕氧生長(zhǎng)(HIntroduction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(xué)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(DryOxidation)濕式氧化(WetOxidation)

Si(s)+O2(g)

→SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)

→SiO2(s)+2H2(g)Introduction氧化層的形成方法可以分成兩種:熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)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(huì)消耗部份的矽表層，我們將之歸類為消耗性氧化性成長(zhǎng)

t0.55t0.44tOriginalsiliconsurfaceSiliconOxide熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(I)為什麼叫做“消耗性”氧化層?熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(II)Model:Flicker’sLaw: J=D(No-Ni)/XoReactionrate: J=Ks*NidXo/dt=J/M=(D*No/M)/(Xo+D/Ns)A=2D/Ks,B=2D*No/M=Xi2/B+A*Xi/BXi為一開始氧化層的厚度 X0可以看成Xo(t)=B/A(1+)當(dāng)經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間後,

Xo(t)=(Bt)1/2J=D*No/(D/Ks+Xo)SiO2SiNoNiXo(t)=A/2((1+(4B/A2)*(t+))0.5-1)熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(II)Model:J=D*No熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(III)當(dāng)氧化層有相當(dāng)厚度時(shí)，氧在

SiO2內(nèi)的擴(kuò)散常數(shù)會(huì)相對(duì)變低，因?yàn)檠醯臄U(kuò)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(nèi)的含氧濃度相當(dāng)，此時(shí)的氧化速率將由氧分子在二氧化矽中的擴(kuò)散速率所主導(dǎo)，又稱為

diffusioncontrolcase。反之，在氧化層厚度很薄的狀況下，氧分子在

SiO2的擴(kuò)散係數(shù)相對(duì)於

SiO2是足夠大時(shí)，此時(shí)的氧化速率將由氣氛中的氧分子濃度及氧化反應(yīng)常數(shù)

Ks所主導(dǎo)，又稱為

reactioncontrolcase。

熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(III)當(dāng)氧化層有相當(dāng)厚度時(shí)，氧在熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)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(zhì)濃度表面清洗速率:溫度高>溫度低速率:(111)>(110)>(100)速率:壓力高>壓力低熱成長(zhǎng)氧化層的機(jī)制與模型(IV)影響氧化的因素:速率:溫度氧化層成長(zhǎng)的方法及其應(yīng)用氧化層成長(zhǎng)的方法及其應(yīng)用氧化層厚度與其顏色之關(guān)係隨著厚度的變化可以看到不同的顏色,雖然在現(xiàn)今先進(jìn)的Fab廠中已不再使用來(lái)做為厚度觀測(cè)的方式,但仍然是一項(xiàng)可以快速用來(lái)觀察是否有明顯的不平坦的情況發(fā)生氧化層厚度與其顏色之關(guān)係隨著厚度的變化可以看到不同的顏色,雖DRY&WETDRY&WETX2＋A*X＝B*（t＋τ）X表示氧化層厚度t表示反應(yīng)時(shí)間τ為成長(zhǎng)到nativeoxide厚度所需之時(shí)間

Deal－GroveModelX2＋A*X＝B*（t＋τ）Deal－GroveModelDeal－GroveModel

X2＋A*X＝B*（t＋τ）當(dāng)t很短時(shí)，X很薄，X2＜＜A*X，上式趨近為A*X＝B*（t＋τ）X＝B*（t＋τ）/A此時(shí)稱為lineargrowthregime或linearrateregimeB/A稱為L(zhǎng)inearrateConstant，受控於K（反應(yīng)速率）

Deal－GroveModelX2＋A*

Deal－GroveModel

X2＋A*X＝B*（t＋τ）當(dāng)t很長(zhǎng)時(shí)，X變厚，X2＞＞A*X，上式趨近為

X2＝B*（t＋τ）

此時(shí)稱為diffusion-limitedregime或parabolicrateregimeB稱為ParabolicrateConstant，受控於D（oxidant在SiO2內(nèi)之?dāng)U散速率）

Deal－GroveModelX2＋氧化層厚度與其顏色之關(guān)係利用氧化層顏色變化判斷厚度概值，主要是因?yàn)樵谘趸瘜颖砻娣瓷浜驮谖砻娣瓷涞膬傻拦饩€，因?yàn)榫哂泄獬滩疃纬筛缮娆F(xiàn)象產(chǎn)生，而產(chǎn)生建設(shè)性干涉的條件為：Δφ＝2*N*π

利用HF進(jìn)行蝕刻，將晶片上下進(jìn)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(fàn)圍，再配合colorchart得知較正確之厚度。

氧化層厚度與其顏色之關(guān)係利用氧化層顏色變化判斷厚度概值，主要

ColorchartofSiO2:

ColorchartofSiO2:金氧半電容元件之電容－電壓特性從I-V可以得知oxidebreakdown特性，漏流大小及機(jī)制。

從C-V可以得知氧化層內(nèi)部電荷量，氧化層厚度，介面能階特性。

可以配合加熱系統(tǒng)，量測(cè)I-V及C-V變化，得知穩(wěn)定性。

金氧半電容元件之電容－電壓特性從I-V可以得知oxideb橢圓儀的簡(jiǎn)介一種用於測(cè)量一束偏振光從被研究的表面或薄膜上反射後偏振狀態(tài)產(chǎn)生變化的光學(xué)儀器,用它可以得到表面或薄膜的有關(guān)物理參量的信息。1808年,馬呂斯探測(cè)到反射光線的偏振性,1889年P(guān).K.L.德魯?shù)陆⒘藱E圓偏振測(cè)量的基本方程式,奠定了橢圓偏振測(cè)量技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。它是一種無(wú)損的測(cè)量方法,並且對(duì)於表面的微小變化有極高的靈敏性,例如可以探測(cè)出清潔表面上只有單分子層厚度的吸附或污染。它在各個(gè)領(lǐng)域中,如物理﹑化學(xué)﹑材料和照相科學(xué)﹑生物學(xué)以及光學(xué)﹑半導(dǎo)體﹑機(jī)械﹑冶金和生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。橢圓儀的簡(jiǎn)介一種用於測(cè)量一束偏振光從被研究的表面或薄膜上反射橢圓儀的原理利用雷射光通過(guò)oxide，由反射之極化現(xiàn)象改變量，換算出厚度及折射係數(shù)n。oxide在λ=633nm之下時(shí)，折射係數(shù)n=1.46。採(cǎi)大的入射角，測(cè)出P偏極光與S偏極光反射量與相位差，進(jìn)而算出各項(xiàng)參數(shù)。橢圓儀的原理利用雷射光通過(guò)oxide，由反射之極化現(xiàn)象改變量在測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)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(guò)偏振片而成為橢圓或是圓形偏振，而在經(jīng)過(guò)反涉及二次反射後，若要形成最小光線，則通過(guò)analyzer的光線一定要轉(zhuǎn)為線性偏振(linearpolarization)。在雷射光入射的角度上，選擇靠近Brewsterangle(在SiO2中約為70°)，再針對(duì)反射回來(lái)的TE光進(jìn)行偏振濾波。橢圓儀的原理在測(cè)量時(shí)，旋轉(zhuǎn)接收端的偏振片，使detector端能夠收到能橢圓儀結(jié)構(gòu)示意圖橢圓儀結(jié)構(gòu)示意圖橢圓儀(ellipsometer)橢圓儀(ellipsometer)各種氧化層的應(yīng)用

乾氧生長(zhǎng)：生長(zhǎng)速率漸慢，品質(zhì)較佳，適合ScreenOxide、PadOxide、GateOxide濕氧生長(zhǎng)：

H2O於高溫下分解成HO，可快速擴(kuò)散通過(guò)SiO2，生長(zhǎng)速率快，適合MaskingOxide、BlanketFieldOxide、LOCOSOxide

高壓生長(zhǎng)：

壓力越高，oxidant在oxide內(nèi)之?dāng)U散流量越大，氧化越快，可縮短氧化時(shí)間，避免高溫下，之前佈植的雜質(zhì)亂跑

各種氧化層的應(yīng)用

乾氧生長(zhǎng)：乾氧生長(zhǎng)在製造過(guò)程中，會(huì)使用HCl、N2、O2三種氣體。其用途分別如下：HCl：去除mobileions（例如Na+）用。N2：purgeN2做為Chamberpurge用，隨時(shí)打開；processN2具有高純度，於製程反應(yīng)時(shí)參入，做為carriergas及調(diào)節(jié)分壓用。O2：做為反應(yīng)材料。乾氧生長(zhǎng)在製造過(guò)程中，會(huì)使用HCl、N2、O2三種氣體。其用濕氧生長(zhǎng) 合成H2Ovapor至石英管的方法：BoilerSystem：將水溫升至100℃，蒸氣進(jìn)入石英管。BubblerSystem：N2通過(guò)DIWater（接近100℃，但是未沸騰），將水氣帶入石英管。FlushSystem：DIWater水滴至加熱板蒸發(fā)，O2帶入石英管。濕氧生長(zhǎng) 合成H2Ovapor至石英管的方法：表面軌跡分析儀(SPM)示意圖表面軌跡分析儀(SPM)示意圖步驟：

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?dú)獯登?。將?shù)片晶片順序緩緩怡入高溫爐中，依條件成長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)有氧化層之晶片的顏色。使用橢圓儀(ellipsometer)量得氧化層厚度。步驟：用丙酮，甲醇，和去離子水清洗晶片。廢液回收

本實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的廢液包含丙酮、甲醇，所以應(yīng)該傾倒在有機(jī)廢液回收筒。氫氟酸屬於高腐蝕性無(wú)機(jī)酸類，應(yīng)另外存放於廢液回收筒中，不可以玻璃製容器呈裝。