CH16 矽氧化膜生長

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16-1 熱氧化爐 (Thermal Oxidation Fumace)

矽的熱氧化須在可精確控制溫度的爐中進行(溫度變化限制在±½ °C)，氧化爐通常由3到4組加熱線圈組成，每一組有自己的控制器。線圈通電流加熱，電流可加以調整與控制得到所要的溫度及分佈。石英管(也有用其它材料的管子如矽或碳化矽，但不常見)置入加熱線圈中，流入石英管的氣體可以選擇控制，供晶圓在控制的環境下進行氧化。典型氧化爐的剖面圖如圖16-1(a)所示，晶圓放置在石英材質稱為 “船” (boat)之承物器上，船之形狀如圖16-1(b）所示。

(a)氧化爐剖面圖

🔼圖16-1熱氧化爐

(b)石英船

🔼圖16-1熱氧化爐(續)

16-2 矽氧化程序 (SiOxidation Process)

矽之熱氧化製程中，先依清潔程序除去矽晶圓上污染後進行，不可使晶圓與任何污染源接觸。特別是與人的接觸(人是鈉離子的重要來源，在大部份情況下，元件因漏電而無法正常工作時，大都由於鈉離子表面污染所引起；MOS電晶體特性不穩定大半亦由氧化層被鈉離子污染所引起)。清潔後的晶圓乾燥後，就放在“船”上送入氧化爐中準備氧化。

用乾氧(dry oxygen)氧化時要控制流入石英管中氧的流量，使矽晶圓能有足夠的氧氣可用，氧的純度要高，以免氧化層長出後摻入不必要的雜質。氧或氧 /氮混合氣體亦可用來生長氧化層，氮氣的使用可減少整個氧化過程的費用，因為氮比氧便宜。

當用水作為氧化劑時，稱為濕氧化，通常有三種方法可用來通入水蒸汽。水放在稱作“起泡器“(bubble)的容器内，保持在稍低於沸點(100°C)的定溫器中，起泡器如圖16-2所示，有一加熱外罩可使其保持設定溫度。載氣(carrier gas)由起泡器進氣端進入，氣泡穿過水時帶著飽和的水蒸汽，再由出氣端流出進入氧化爐中。自出氣端至石英氧化管的距離必須短到水蒸汽不因冷卻而凝結，或者用其它輔助方法如加熱帶（heating tape)加熱使不凝結。氮氣或氧氣都可用做載氣，不論用何種氣體都可生長相等厚度的氧化膜。

🔼圖16-2 濕氧化系統的起泡器

起泡器溫度的保持是很重要的，因為水的蒸汽壓隨溫度有很大的變化，如圖16-3所示。水溫太接近100°C，溫度小量改變會引起蒸汽壓大量變化，故水的溫度通常保持稍低於沸點幾度使蒸汽壓易於精確控制。起泡器簡單易用且複製容易，但當水位太低時必須重新充填，因此引起兩個缺點：

🔼 圖16-3 水的蒸汽壓是溫度的函數

1. 若起泡容器處理不當，在裝水前或裝水時，易使水被污染。

2. 在生長氧化膜的時間內避免充塡水，除非是加入同溫度的水。假如加入冷水，水溫降低就會降低水的蒸汽壓，使氧化膜的生長厚度不易精準控制。

要得到水蒸汽的第二個方法是通入氫 / 氧氣體混合物並燃燒，這樣的系統稱為“燃燒氫”(burnt hydrogen) 或”火炬“(torch)系統，高純度的氫和氧氣體容易備製，故易得高純度的水。

當適量的氫和氧通入石英管的進氣端並加熱反應就產生水蒸汽，燃燒所產生的熱會使氧化爐進氣端爐溫度重行分佈，故有必要加上裝置，使整條爐管有一均勻的溫度分佈。由於通入過量的氫氣有爆炸的可能性，故必須加上防爆裝置。

濕氧化 (wet oxidation) 得到水蒸汽的第三個方法是閃爍(flash)系統，水滴不斷的滴在該系統加熱的底部，立刻蒸發成水蒸汽，使用載氣、氧氣或氮氣，載著蒸發的水蒸汽進入爐內進行氧化，該系統僅需穩定的供應純水即可。

16-3 乾濕氧化與膜厚 (Dry and Wet Oxidation and Thickness)

氧氣和水蒸汽都可用來氧化矽晶圓，通常這兩種氧化製程是不可互換的。在同樣溫度與時間，使用水蒸汽氧化之氧化速率較使用氧氣快，(111)矽晶圓之氧化速率較(100)快。(100)、(111)矽晶圓經乾氧、濕氧氧化所產生之氧化膜厚度與溫度、時間的關係可由圖16-4和16-5得到。現在舉一些特殊例子說明如下：

• 例題1：計算60分鐘，1000°C乾氧氧化(111)矽晶圓後SiO₂的厚度。
• 解 : 使用圖16-4，找到標有1000°C的曲線，決定其與60分鐘垂直線交點。從此交點向左交到圖之左軸，所指的厚度是0.068μm或68nm。
• 例題2：計算60分鐘，1000°C 水蒸汽氧化(100)矽晶圓後SiO₂的厚度。
• 解：使用圖16-5，找到標有1000°C 的曲線，決定其與60分鐘垂直線交點。從此交點向左到此圖之左軸，所指的厚度是0.42μm或420nm。

在典型的IC製程中，一矽晶圓可能經過一連串不同的氧化程序，溫度與時間都可能不同。經過一連串氧化步驟後，氧化膜厚度可由下列幾個原則來決定：

1. 由己有的SiO₂ 厚度開始，用下一個生長條件來算出要生長這麼厚的氧化膜要多少時間。 (如果晶圓上無氧化膜，時間取為零。)

2. 由 步驟1 所算出的時間，加上目前所要加上的氧化時間。

3. 由 步驟2 所算出的時間得到長出的氧化膜厚度。假如這個步驟是循環的最後一個氧化步驟，則你就得到了 總厚度。如果不是，以這個厚度為起點，再重複步驟1，2和3。

舉一個這種例子，（111)矽晶圓經下列氧化程序：

1. 乾 O2	1200°C	60分鐘
2. 97°C 水蒸汽	920°C	40分鐘
3. 97°C 水蒸汽	1000°C	10分鐘

第一個步驟所得氧化膜厚度可直接由圖16-4决定，我們由此圖得到經第一個步驟的氧化膜厚度是200nm。現在，以這個厚度做為起始厚度，用第二個氧化步驟的生長條件算出生長200nmSiO₂膜所需的時間。下一氧化在920°C 水蒸汽中進行，在圖16-5中找出200nm線和920°C生長曲線交點，在920°C生長200nm SiO₂的時間是42分鐘。至目前為止，我們可以說晶圓表面生長200nm SiO₂，是在920°C水蒸汽中42分鐘生長的，故在920°C，我們在生長時間40分鐘上加上42分鐘，等於在920°C水蒸汽中需生長82分鐘，由圖16-5，在920°C水蒸汽中，82 分鐘的生長條件可得到310nm SiO₂，再以310nm為起點，在圖16-5中決定310nm線與1000°C生長曲線交點，我們可看到在此生長條件下生長310nm需36分鐘，以此36分鐘作為起始時間，在第三個步驟1000°C水蒸汽中生長時間10分鐘加上36分鐘，我們得到在水蒸汽中1000°C需氧化46分。查圖16-5，1000°C 生長曲線，我們看到交點在370nm線，所以氧化膜最後厚度是370nm。

16-4 矽氧化膜厚度評估 (Si Oxide Thickness Evaluation）

SiO₂氧化膜有兩個重要特性需要評估，就是它的厚度和它的品質。由氧化程序可準確地預測厚度，但常需加以驗證。當用白光垂直照射氧化膜，由於干涉現象，氧化膜表面會觀察到有顏素產生。氧化膜顏色隨其厚度的變化如表16-1所示，若顏色均勻就表示SiO₂薄膜均勻。並且氧化膜厚度由薄至厚時，所觀察到的顏色會隨著厚度重複出現，若由顏色決定氧化膜的厚度，你必須知道所有先前出現過的顏色，這個困難很容易解決，可將氧化膜浸入氫氟酸(HF)中慢慢拖出就可蝕刻出一個斜面（圖16-6)，觀察此斜面顏色之循環週期即得。

氧化膜厚度也可在其正反兩面加上已知面積的金屬電極，測量其電容得知。或在氧化膜上蝕刻出一台階(step)，用光學干涉或物理技術量得知。常用來測階梯高度的一種儀器稱為表面曲線儀(surface profiler)，用帶有電子信號放大輸出的尖筆（stylus）放在欲測的表面上，表面上任何台階的形貌都可測出，就可量得高度。或使用稱做橢圓儀(elliposometer)的光學儀器，氧化膜的厚度更可精確地量測，然而，該儀器的精確性並非萬用，只適用在幾種特例中。

🔽表16-1 熱氧化法生長SiO₂ 膜顏色表 (在日光燈下垂直觀察)

膜厚（微米）	級數 （5450埃）	顏色和註解	膜厚（微米）	級數 （5450埃）	顏色和註解
0.050		茶色	0.365	II	黃綠
0.075		褐色	0.375		綠黃
0.100		暗紫至紅紫	0.390		黃
0.125		略帶紅之深藍色	0.412		淡橙黃
0.150		淺藍至金屬藍	0.426		粉紅
0.175	I	金屬至很淡黃－綠	0.443		紫－紅
0.200		淡金或駐－淡金屬色	0.465		紅－紫
0.225		金帶有淡黃橙	0.476		紫
0.250		橙至西瓜色	0.480		藍－紫
0.275		紅紫	0.493		藍
0.300		藍至紫藍	0.502		藍－綠
0.310		藍	0.520		綠
0.325		藍至藍綠	0.540		黃綠
0.345		淡綠	0.560	III	綠黃
0.350		綠至黃綠	0.574		黃至淡黃
0.60		粉紅	0.585		淡橙或黃至粉紅

16-5 熱氧化時摻雜質子之重行分佈 (Redistribution of Dopant During Thermal Oxidation)

在氧化過程中，矽基板與二氧化矽層之界面會隨氧化時間向矽基板方向移動，原存在於矽基板中之摻雜質一部分會保留在矽中，一部分會進入二氧化矽中，依它們在矽與二氧化矽中之相對態固態溶解度而重行分佈。磷，砷和銻在矽中有較大固態溶解度，在二氧化矽中固態溶解度較小，也就是說，傾向留在矽中，所以矽中大部分摻雜質在移動的Si-SiO₂界面會留在矽中，同時向矽內擴散但又不夠快，於是在新界面處堆積起來如圖16-7(a)所示。另一方面，硼在二氧化矽中有較大固態溶解度，會堆積在新生成的二氧化矽層界面處，所以矽中之硼在移動的Si-SiO₂界面會缺乏如圖16-7(b)所示。掺雜質重行分佈這個現象在氧化製程中須特別留意。

🔼圖16-7摻雜質之重行分佈