Bab 5 : Pengoksidaan

• Proses pengoksidaan ialah salah satu proses utama dalam fabrikasi semikonduktor– Apabila permukaan wafer Si didedahkan pada oksigen,

pada suhu tinggi, ia akan membentuk satu lapisan SiO2

pada permukaan wafer.– Yang mana molekulnya terdiri daripada satu atom Si dan

dua atom oksigen.

Si ( p ) + O2 ( g ) SiO2 ( p )

• Penggunaan lapisan SiO2

*Mempasifkan permukaan

*Penghalang pendopan

*Permukaan dielektrik

*Dielektrik peranti

*Pemecilan peranti*LOCOS

*Trench

Rajah 5.6 : Carta ketebalan SiO2

• Mekanisme pengoksidaan terma– Pertimbangkan wafer Si diletakkan dalam kebuk panas dan

terdedah kepada gas oksigen.

– Pada mulanya atom O2 akan bergabung dengan senang sekali dengan atom Si pada permukaan

• Peringkat ini dipanggil linear kerana oksida tumbuh dalam amaun yang sama untuk setiap unit masa.

• Selepas lebih kurang 500 Å oksida ditumbuhkan suatu penghadan dikenakan ke atas kadar pertumbuhan linear.

– Untuk mengekalkan pertumbuhan lapisan oksida, atomO2 mestilah bersentuhan.

– Akan tetapi lapisan yang tumbuh lebih awal memisahkan O2

dalam kebuk daripada atom Si di permukaan wafer.

– Setiap pertumbuhan lapisan baru, O2 mestilah meresap masuk lebih ke dalam lapisan oksida untuk sampai ke wafer.

– Kesannya ialah pengurangan kadar pertumbuhan oksida dengan masa.

– Peringkat ini dipanggil parabolik - perhubungan matematik bagi ketebalan oksida, kadar pertumbuhan, dan masa mengambil bentuk parabola.

– Istilah lain yang digunakan untuk peringkat kedua ini ialah tindakbalas pengangkutan terhad ( transport-limited reaction ) dan tindakbalas resapan terhad ( diffusion limited reaction )

Rajah : Tahap pertumbuhan lapisan silikon dioksida

Wafer pada asal

Tahap linear

Tahap parabolik

Silikon

Silikon

Silikon

Rajah: Skimatik aliran agen pengoksidaan semasa proses pengoksidaan

Si

Cg

Cs Co Ci

F1

F2

F3

SiO2

Xo

– Terdapat 4 kepekatan O2 pada rajah :

– Cg : Kepekatan oksigen dalam aliran gas jauh dari permukaan wafer.

– Cs : Kepekatan oksigen dalam gas dekat permukaan wafer

– Co : Kepekatan oksigen dalam lapisan oksida pada permukaan wafer.

– Ci : Kepekatan oksigen pada antaramuka Si/SiO2

– Fluks, F, ditakrifkan sebagai bilangan molekul oksigen yang melalui satah pada luas permukaan tertentu pada masa tertentu.

– Dalam proses ini terdapat tiga keadaan fluks.– Yang pertama ialah amaun oksigen yang dari gas pukal

ke permukaan wafer.• Apabila aliran gas oksigen mengalir melalui permukaan wafer,

lapisan sempadan akan wujud di permukaan wafer

• Molekul O2 akan meresap masuk ke permukaan wafer dan keadaan ini boleh ditunjukkan oleh Hukum Fick pertama.

F = DN (x, t ) dx

F1 = Do2 Cg- Cs

Xsl

dimana Xsl ialah ketebalan lapisan oksida genang. Cg boleh

di kira dengan menggunakan Hukum Gas Ideal

Cg = n = Pg , Cs = Ps

v kT kT

dimana k ialah pemalar Boltzman dan Pg ialah tekanan

separa oksigen dalam relau. Persamaan ( 1 ) boleh ditulis

sebagai

F1 = h ( Cg - Cs )

( 1 )

( 2 )

dimana h ialah koefisien pengangkutan jisim ( mass

transport coefficient )

– Fluks yang kedua ialah resapan molekul O2 merentasi lapisan oksida yang tumbuh.

– Kecerunan kepekatan di berikan seperti berikut :

F2 = Do2 Co - Ci

Xo

dimana oksigen sekarang meresap dalam lapisan oksida.– Fluks yang ketiga ialah oksigen bergerak untuk bertindak balas dengan

silikon pada wafer untuk menumbuhkan lapisan oksida.

( 3 )

– Kadar tindakbalas ini diperolehi dari tindakbalas kinetik kimia.

– Kadar tindalbalas dan fluks adalah berkadaran dengan kepekatan oksigen.

F3 = ksCi

dimana ks ialah pemalar kadar tidakbalas kimia.

– Keseluruhan tidakbalas memberikan tindakbalas seperti berikut :

( 4 )

Si ( p ) + O2 ( g ) SiO2 ( p )

Si ( p ) + H2O ( c ) SiO2 ( p ) + H2 (g )

– Dalam kes ini ketiga-tiga fluks mestilah seimbang.

F = F1 = F2 = F3

– Dengan menggunakan pengiraan algebra, kita akan memperolehi nilai kepekatan agen pengosidaan pada antaramuka SiO2-Si, Ci dan nilai kepekatan antaramuka gas-SiO2, Co

Ci = Cg

1 + ks + ksXo

h Do2

dan

( 6 )

( 5 )

Co = 1 + ksXo

D

1 + ks + ksXo

h Do2

– Akhir sekali, bagi memperolehi kadar pertumbuhan, bahagikan fluks pada antaramuka dengan bilangan molekul O2 per unit isipadu SiO2, biasanya dikenali sebagai N1

– Bagi pengoksidaan oleh molekul oksigen, N1 ialah separuh bilangan ketumpatan atom oksigen dalam SiO2 atau 2.2 x 1022 cm-3.

Memberikan

( 7 )

R = J = dXo = ksCg

N1 dt 1 + ks + ksXo

h Do2

– Anggapkan pada masa 0 ketebalan lapisan oksida ialah Xi.

– Bezakan persamaan di atas dan kita akan perolehi

Xo2 + AXo = B ( t + )

dimana

A = 2D 1 + 1

ks h

N1

( 8 )

( 9 )

B = 2DCg

N1

= Xi2 + AXi

B

t = Xo2 + Xo -

B B/A

Xi ialah lapisan oksida awal ( initial oxide ) ~ 10 - 20 Å,

biasanya akan hadir atas wafer disebabkan pengoksidaan

atmosfera.

– Parameter A dan B berubah-ubah mengikut keadaan proses.

( 10 )

( 11 )

( 12 )

– Parameter B/A dan B berkadaran dengan keresapan, maka ia akan mengikuti fungsi Arhenius

– Pemalar resapan bergantung kepada suhu dan mengikuti fungsi Arhenius seperti berikut :

D = Do exp ( -Ea/kT )

– Penyelesian persamaan bagi Xo, akan menghasilkan

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

( 13 )

( 14 )

– Bagi masa yang singkat ( t + ) << A2/4B

Xo ( t ) = B/A ( t + )

– Pertumbuhan lapisan oksida berkadar dengan masa dan nisbah B/A dikenali sebagai kadar pertumbuhan linear.

– Dalam kawasan ini, kadar pertumbuhan dihadkan oleh tindakbalas antaramuka silikon.

– Bagi masa yang lama ( t + ) >> A2/B, t >> Xo = Bt

– Pertumbuhan oksida adalah berkadaran dengan punca kuasa dua masa, dan B dipanggil kadar parabolik

– Kadar pengoksidaan dihadkan oleh resapan pada peringkat ini.

– Implikasi utama perhubungan parabolik ialah oksida lebih tebal memerlukan lebih masa untuk tumbuh daripada oksida lapisan lebih nipis.

• Contoh

2000 Å lapisan SiO2 ditumbuhkan pada 1200oC memerlukan masa 6 minit

Untuk menggandakan ketebalan ke 4000 Å memerlukan 220 minit.( 36 kali lebih lama )

– Apabila menggunakan gas O2 sebagai gas mengoksida, pertumbuhan lapisan oksida yang tebal memerlukan masa yang lebih lama, terutama sekali pada suhu pengoksidaan yang rendah.

– Satu cara untuk mencapai pengoksidaan yang lebih cepat ialah menggunakan wap air ( H2O ).

– Dalam keadaan wap, air adalah dalam bentuk H-OH- iaitu satu atom hidrogen dan satu molekul oksigen dan hidrogen ( OH-ion hidroksi ) dengan cas negatif.

– Ion hidroksi meresap melalui lapisan oksida yang telah sedia ada atas wafer dengan lebih cepat berbanding dengan oksigen.

– Kesanya ialah pengoksidaan lebih cepat berbanding dengan oksigen.Si ( p ) + H2O ( c ) SiO2 ( p ) + 2H2 (g )

– Daripada tindakbalas stim dengan silikon akan menghasilkan dua molekul 2H2 pada sebelah kanan persamaan.

– Pada peringkat awal molekul H2 ini akan terperangkap dalam lapisan oksida, menjadikan lapisan oksida kurang tumpat dan lebih porous dari lapisan oksida ditumbuhkan menggunakan gas kering.

– Wafer dengan lapisan oksida yang ditumbuhkan melalui kaedah pengoksidaan basah ini perlu dipanaskan dalam persekitaran lengai untuk menyingkirkan molekul H2.

• Ketumpatanya dan kualiti akan menjadi sama seperti lapisan oksida yang ditumbuhkan melalui kaedah kering.

• ContohKira bilangan jumlah ketebalan lapisan SiO2 yang

ditumbuhkan pada suhu proses 920oC dengan masa

120 min dlam keadaan pengosidaan stim. Anggarkan

permukaan wafer mempunyai lapisan SiO2 awal ialah

1000 Å.

Jadual : Koefisien pengoksidaan kering dan basah bagi

silikon.

Suhu A(m) B(m2/jam ) A(m) B(m2/jam )

800 0.370 0.0011 - -

920 0.235 0.0049 0.5 0.203

1000 0.165 0.117 0.226 0.287

1100 0.090 0.27 0.11 0.5100.720

Kering Basah

• Penyelesaian

Merujuk pada rajah, pada suhu 920oC, A = 0.5 m dan B = 0.203 m2/jam.

Masukkan nilai2 ini ke dalam persamaan ( 11 ).

= Xi2 + Axi = 0.295 jam

B

Dengan persamaan ( 14 )

Xo( t ) = A 1 + 4B ( t + ) 1/2 - 1 = 0.48 m

2 A2

Rajah 5.1 : Pempasifan permukaan dengan lapisan

SiO2.

Rajah 5.2 : Lapisan SiO2 sebagai penghalang

pendop

Pendopan

Rajah 5.3 : Penggunaan dielektrik bagi lapisan dioksida

Lapisan logam

Lapisan oksida

Wafer

Rajah 5.4 : SiO2 sebagai oksida medan dan dalam get

MOS.

Rajah 5.5 : Pemencilan peranti

LOCOS Trench

• Pengaruh ke atas kadar pengoksidaan– Orentasi wafer– Agihan pendop

• Elemen pendop yang digunakan dan kepekatanya mempunyai kesan ke atas kadar pertumbuhan pengoksidaan.

• Contohnya, oksida tumbuh atas lapisan berdop dengan fosforus tinggi adalah kurang tumpat berbanding dengan yang ditumbuhkan atas pendop silikon yang lain.

• Oksida berdop fosforus ini juga memunar dengan lebih cepat.• Rantau berdop berat mengoksida lebih cepat.• Satu lagi kesan atas kadar pertumbuhan pengoksidaan ialah agihan pendop. Lihat rajah.• Timbunan ( Pile-up ) bagi pendop jenis-n• Susutan ( depletion ) bagi pendop jenis-p

Rajah : Kesan susutan dan timbunan - semasa pengoksidaan

– Bendasing oksida• Bendasing tertentu, khususnya HCl, dimasukkan dalam persekitaran proses

pengoksidaan bagi menumbuhkan lapisan SiO2.

• Bendasing ini akan memberi kesan kepada kadar pertumbuhan

- iaitu dengan meningkatkan kadar pertumbuhan sebanyak

1 ke 5%.

– Pengoksidaan polisilikon.• Konduktor dan get polisilikon adalah ciri bagi kebanyakan peranti MOS dan litar.

• Berbanding dengan pembentukan hablur tunggal, kadar pengokisidaan polisilikon mungkin akan lebih cepat, lebih perlahan atau sama sahaja.

• Bergantung kepada kaedah pemendapan polisilikon, suhu pemendapan, tekanan pemendapan, jenis dan kepekatan pendop, dan struktur ira bagi polisilikon.

– Langkah oksida dan kadar pengoksidaan kebezaan• Sesetengah kawasan mempunyai oksida medan, sesetengahnya berdop, ada yang

rantau polisilikon dan sebagainya. • Setiap kawasan akan mempunyai kadar pengoksidaan yang berbeza bergantung

kepada keadaan permukaan.• Perbezaan ketebalan pengoksidaan ini dipanggil pengoksidaan kebezaan ( differential

oxidation ).• Cotohnya pengoksidaan wafer get polisilikon.• Kadar pengoksidaan kebezaan menyebabkan pembentukkan tangga pada permukaan

wafer.

Rajah : Pengoksidaan kebezaan bagi silikon

Si wafer

Si waferSi wafer

• Kaedah pengoksidaan terma– Tidakbalas pembentukkan oksida memerlukan tenaga dan tenaga

ini dibekalkan dengan memanaskan wafer, ini dipanggil pengoksidaan terma.

– Lapisan oksida boleh ditumbuhkan samada pada tekanan atmosfera atau tekanan tinggi.

– Terdapat dua teknik pertumbuhan pada tekanan atmosfera iaitu relau tiub dan sistem terma deras ( rapid terma system ).

– Kita juga akan membincangkan beberapa teknik lain iaitu pengoksidaan tekanan tinggi dan pengoksidaan anodik.

• Relau tiub melintang

• Sistem relau tiub melintang– Relau tiub pengeluaran ialah suatu sistem intergrasi bagi

pelbagai bahagian.– Bahagian-bahagian ini ialah

1. Kebinet sumber

2.Bahagian relau : Sistem kawalan suhu

Kebuk tindakbalas

3.Stesen muatan wafer : proses automatan (elevators etc )

4.Stesen pencucian wafer.

Rajah : Sistem relau tiub melintang

• Relau tiub menegak

• Pengoksidaan terma deras ( Rapid thermal oxidation- RTO )– Teknologi proses terma deras-RTP adalah pilihan bagi

menumbuhkan lapisan oksida nipis yang digunakan dalam MOS get.

– Trend kepada saiz ciri yang lebih kecil atas permukaan wafer telah membawa bersama pengurangan dalam ketebalan lapisan yang ditambah ke atas wafer.

• Peranti pengeluaran termaju memerlukan tebal get < 100 Å.• Oksida senipis ini susah dikawal dalam relau tiub konventional oleh kerana

masalah membekal dan mengeluarkan O2 dengan cepat daripada sistem.

– Sistem RTP boleh menawarkan kawalan yang diperlukan dengan keupayaan untuk memanaskan dan menyejukan suhu wafer dengan cepat sekali.

– Sistem ini sama dengan sistem sepuhlindap kecuali ia menggunakan atmosfera oksigen dan bukannya gas lengai.

– Proses2 lain yang menggunakan teknologi RTP termasuklah pertumbuhan oksida basah, pertumbuhan oksida setempat, pengaktifan sources/drain selepas penanaman ion, polisilikon LPCVD, silikon amorfus, tungsten, nitrida LPCVD, silicide, dan oksida LPCVD

Rajah : (a) Rekabentuk RTP (b)Cth lengkungan masa RTP/suhu

• Pengoksidaan tekanan tinggi– Dua masalah utama pengoksidaan suhu tinggi ialah pertumbuhan

kehelan dalam wafer pukal• menyebabkan pelbagai masalah peranti

– dan pertumbuhan kehelan (yg diaruh oleh hidrogen) disepanjang pinggir bukaan dalamlapisan atas permukaan wafer

• menyebabkan kebocoran elektrik disepanjang permukaan atau mendegradasikan lapisan silikon yang tumbuh atas wafer bagi litar dwikutub.

– Penyelesaian masalah ini ialah dengan melaksanakan proses pengoksidaan terma pada suhu rendah.

• Memerlukan masa yang lebih lama

– Penyelesian bagi kedua-dua masalah ini ialah pengoksidaan pada tekanan tinggi

• Pengoksidaan adalah lebih cepat berbanding dgn pengoksidaan pada atmosfera.

• Peningkatan 1 atm tekanan akan membenarkan kejatuhan 30oC dalam suhu.• Dalam sistem ini, suhu proses jatuh antara 300 ke 750oC.

– Konfigurasi relau sama seperti realu tiub melintang tetapi dgn satu pengecualian utama: tiub ditutup dan agen pengoksidan dipamkan ke dalam tiub pada tekanan 10 ke 25 atm.

– Pengisian gas bertekanan tinggi memerlukan pembungkusan tiub kuartza dalam jaket keluli nirkarat utk menahan retak.

– Oksida get yang tumbuh dalam proses tekanan tinggi mempunyai kekuatan dielektrik yang lebih tinggi dan intergriti struktur ( tiada lubang ) yang baik berbanding dengan lapisan oksida tumbuh pada tekanan atmosfera.

Rajah : Pengoksidaan tekanan tinggi.

• Pengoksidaan anodik– Wafer disambungkan kepada elektrod positif (anod) dalam

takungan yang juga mengandungi elektrod negatif.

– Kedua-duanya diselamkan dalam suatu elektrolit KNO3.

– Apabila arus dikenakan antara dua elektrod, oksigen terbentuk di anod dan membentuk lapisan dioksida atas permukaan wafer.

– Pada umumnya, oksida yang terbentuk adalah kurang berkualiti berbanding dengan oksida yang tumbuh secara terma.

Rajah : Pengoksidaan anodik

• Sumber mengoksida– Oksigen kering

• Gas mestilah kering, iaitu tidak tercemar dengan wap air.• Kehadiran wap air dalam oksigen akan meningkatkan kadar pengoksidaan dan

menyebabkan lapisan oksida tidak mengikut spesifikasi.

– Sumber wap air* Terdapat beberapa kaedah

Gegelembung ( bubblers )

Sistem flash

Pengoksidaan kering ( dryox )

Pengoksidaan tambahan klorin

Rajah : Sumber wap air gegelembung

- Menggunakan air DI yang dipanaskan ke suhu 98 -99oC

-Yang akan membentuk wap air dalam ruang atas cecair.

-Gas pembawa akan melalui air, ia akan menjadi tepu dengan wap air

-Suhu tinggi dalam tiub akan menjadikan wap air stim.

-Kelemahan cemaran dari air dan flask yang kotor.

-Cemaran ditingkatkan lagi dengan keperluan untuk membuka sistem secara berkala bagi menggantikan air.

Carrier Gas

Heater

Rajah : Sumber wap air sistem “flash”

- Ialah sistem kaca atau kuartz yang disambung ke sumber air DI berterusan melalui tiub sempit yang direkabentuk untuk membenarkan titisan kecil air ke dalam flask.

-Titisan air jatuh ke atas permukaan kuartz yang dipanaskan dengan suhu dikekalkan, cukup untuk menukarkan titisan air ke stim.

-Gas pembawa yang dimasukkan ke dalam sistem akan membawa stim ini masuk ke dalam tiub pengoksidaan.

-Sistem ini mengalami masalah kawalan sama seperti gegelembung.

Rajah : Sumber wap air

(stim kering)-dryox

-Sistem cecair-air-stim tidak boleh digunakan untuk menumbuhkan oksida get yang bersih dan nipis

-Dalam proses pengoksidaan kering ini, gas oksigen dan hidrogen diperkenalkan terus ke dalam tiub pengoksidaan melalui dua tiub yang berasingan dan membenarkan lebihan gas O2 utk elakkan letupan dari H2

-Kedua-dua gas bercampur di dalam tiub dan dibawah pengaruh suhu tinggi, membentuk stim.

-Hasilnya ialah pengoksidaan basah dalam stim.

– Pengoksidaan tambahan klorin

• Oksida get MOS yang lebih nipis memerlukan lapisan yang sangat nipis.

• Penambahbaikan dalam kebersihan dan prestasi peranti diperolehi apabila klorin dimasukkan ke dalam oksida.

• Klorin mempunyai kecenderungan untuk mengurangkan cas ionik bergerak di dalam lapisan oksida, mengurangkan cacat struktur di dalam permukaan oksida dan silikon, dan mengurangkan cas antaramuka oksida-silikon.

• Klorin datang ggn kemasukkan anhydrous chlorine (Cl2), anhydrous hydrogen chloride (HCl) dll

• Penilaian selepas pengoksidaan– Pemeriksaan permukaan

• Setiap wafer akan dilihat dibawah cahaya UV yang berkeamatan tinggi

• Habuk permukaan, ketakseragaman, dan cemaran akan nampak dengan terang dalam cahaya UV.

– Ketebalan oksida• Yang paling penting.

• Teknik2 yang selalu digunakan ialah perbandingan carta warna, elipsometer, interferences, peralatan “stylus” dan SEM

– Kebersihan relau dan oksida• Cemaran- boleh dikesan menggunakan teknik kapasitans-voltan

- tetapi tidak boleh mengenalpasti asal-usul cemaran

- apabila ujian ini gagal pada lapisan oksida, siasatan

lanjut diperlukan untuk mengenalpasti sumbernya.

• Kekuatan dielektrik - Adalah faktor kedua oksida berkaitan dgn

kebersihan.

- Pengukuran sifat dielektrik bagi lapisan

oksida.

- Diukur dengan “destructive oxide rupture

test”

• Indeks refleksi - Bagi oksida tulen ialah 1.46

- Perubahan nilai ini datangnya dari bendasing

dalam oksida.

• Penitridan terma– Suatu faktor penting dalam pengeluaran transistor MOS berprestasi

tinggi ialah oksida get yang nipis.– Akan tetapi, dalam julat 100 Å ( atau kurang ) filem silikon dioksida

cenderung kepada yang berkualiti rendah dan susah dikawal.– Alternatif bagi filem silikon dioksida ialah filem silikon nitrid

( Si3N4).

– Si3N4 adalah lebih berat daripada SiO2 dan mempunyai kurang lubang kecil pada ketebalan nipis.

– Ia juga adalah penghalang resapan yang baik.

Rajah : Pengnitridan silikon <100>