二氧化硅薄膜制备与厚度测量

二氧化硅薄膜制备与厚度测量 一实验目的 1了解二氧化硅的性质及在半导体器件中的作用 2掌握二氧化硅薄膜制备与厚度测量的方法 二实验原理 1二氧化硅薄膜的性质及其作用 生产中制取的二氧化硅 从晶格结构上看大体可分为结晶形二氧化硅和无定 形非晶形二氧化硅。石英体如水晶属于结晶形二氧化硅半导体器件生 产中所制备的二氧化硅薄膜属于无定形二氧化硅。其物理化学性质为白色或无 色含铁量较高的是淡黄色比重 2.22.6620 溶点 1670鳞石英 1710方石英 沸点 2230不溶于水和酸除氢氟酸 。微粒时能与熔融 的碱类起作用。多少年来氧化工艺发展得很快随着人们对二氧化硅薄膜性质 的认识不断深化二氧化硅膜在半导体器件生产上的应用越来越广泛。 1作为杂质选择扩散的掩蔽膜 SiO2在现代半导体工业上最重要应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜。 所谓掩 蔽就是阻挡的意思。SiO2薄膜对扩散杂质的阻挡作用是有条件的是相对的。事 实上 当杂质向 Si 片表面扩散的同时也向 SiO2表面进行扩散。 例如在基区硼 B 扩散中当包围着 Si 片的杂质蒸汽内的 32O B向基区 Si 表面扩散时 32O B也向 SiO2薄膜扩散其过程如图 21 所示。 图 2.1 基区硼扩散示意图 由 SiO2的结构分析可知 扩散进入 SiO2层内的 32O B将被电离并把氧离子交 给 SiO2网络而 B 原子则取代 SiO2网络中的 Si 原子的位置使 SiO2层表面形 成硼硅玻璃层。实验表明杂质在 SiO2中的扩散服从扩散规律因此杂质在 SiO2 中的扩散深度与杂质在 Si 中的扩散深度具有同样的表达式即有 tDAX SiO 2 2.1 上式表明扩散温度越高扩散的时间越长杂质在 SiO2层表面的扩散深 度也越大。硼硅玻璃二氧化硅的界面越靠近 SiO2Si 界面。 既然杂质在 SiO2薄膜中也能进行扩散为什么又说 SiO2薄膜具有掩蔽杂质 扩散的作用呢这是由于在同样的扩散条件下硼B在 SiO2中的扩散系数远 小于它在 Si中扩散系数的缘故。 所以当硼在基区内达到所希望的扩散结深 i X时 硼在 SiO2中的扩散深度 X 却很小没有扩透 SiO2薄膜。因此在有 SiO2薄膜覆 盖的 Si 表面上就没有硼原子进入达到了掩蔽杂质扩散的目的。但若 SiO2薄膜 厚度比较薄或者扩散温度比较高而扩散时间又长则硼原子将会扩透 SiO2薄 层进入 SiO2层下的 Si 表面使 SiO2薄膜掩蔽失效。由此可见 SiO2薄膜起掩 蔽作用的条件有二第一所选用的杂质元素在 SiO2中的扩散系数必须比其在 Si 中的扩散系数小第二SiO2薄膜必须具有足够的厚度以保证当杂质在扩 散区内达到预想的扩散深度时SiO2薄膜还远远没有被杂质扩穿。 实验表明常用的 N 型杂质磷、砷、锑在 SiO2的扩散系数比其在 Si 中的扩散 系数为小。在 1100时磷在 Si 中的扩散系数约为其在 SiO2中 1000 倍左右但 在常用的 P 型杂质中却只有硼在 SiO2中的扩散系数比其在 Si 中的为小。只有硼 适宜作为硅平面器件的 P 型杂质扩散源。对于高斯函数分布A=5.2对于余误 差函数分布 A=4.6。 由于大多数情况下 采用余误差函数发布来描述杂质在 SiO2 中的扩散分布更为合适。因此对扩散杂质起掩蔽作用所需最小 SiO2厚度可用 下式计算 DtX6 . 4 min 2.2 图 2.2 杂质在 SiO2中扩散系数 2作为器件表面的保护和钝化膜 硅平面工艺的特点之一是从一开始就用一层 SiO2薄膜覆盖在 Si 片表面上。 这一方面使在后面的整个工艺流程中 Si 片表面免受镊子划伤以及蒸发、 烧结和 封管等工序中可能带来的杂质沾污或金属丝的粘联起到了保护 Si 片表面的作 用。另一方面由于覆盖在表面的 SiO2薄膜把 Si 片表面及 PN 结同外界环境 气氛隔离开来这就使得 Si 片的表面状态对环境气氛的影响反应迟钝消除了 环境气氛对 Si 片表面和 P-N 结的直接影响提高了半导体器件的稳定性和可靠 性起到了钝化 Si 片表面的作用。 值得指出的是SiO2薄膜的钝化效果与 SiO2层的质量紧密相关。针孔密度 大或者正离子(特别是钠离子)沾污严重的 SiO2层不但不能起到良好的钝化作 用而且往往成为器件性能不稳定的根源。因此尽量减少 SiO2薄膜的针孔密度 和避免钠离子沾污是必须十分注意的两个问题。 3作为某些器件的组成部分 由于二氧化硅具有十分良好的绝缘性能所以在半导体器件生产上除了用 来作为杂质扩散的掩蔽膜、 器件表面的保护和钝化膜外还常常被用来构成器件 的组成部分。 作为集成电路的隔离介质 目前半导体集成电路的隔离有两种常用的方法一种是 PN 结隔离一种 是用 SiO2作为绝缘材料的介质隔离。 介质隔离比起 PN 结隔离来 在某些方面 具有较好的隔离效果比如漏电较小击穿电压较高隔离区与衬底之间的寄生 电容也较小一般小于 10 微微法/毫米 2 而且不受外界偏压的影响从而使集 成电路具有较高的开关速度。 但是 SiO2介质隔离工艺比 PN 隔离工艺复杂 因 此成品率不如 PN 结隔离高这是它的缺点。图 2-5 是 SiO2介质隔离和 PN 结隔离结构的示意图。 图 2.3 集成电路中元件的隔离 作为多层电极布线间的绝缘介质 在集成电路结构中铝电极引线常常必须跨越 SiO2薄膜下面的元件这时 SiO2薄膜就成为这些布线和下面元件之间的隔离介质。 特别在中、 大规模集成电 路中 常采用多层电极布线 这时对 SiO2薄膜的质量有更高的要求 即要求 SiO2 比较完整而无针孔SiO2薄膜的电阻率较高等以免铝引线和元件之间短路。 作为电容器的介质材料 集成电路中的无源元件电容器可以用 SiO2作为介质材料构成 MOS 电容器。 SiO2在10千赫的频率条件下 其相对介电常数为34 损耗因数为10 -1 10 -3而且 SiO 2的击穿电压高温度系数小。这些性能决定了二氧化硅薄膜是一 种很好的电容器介质材料而且 SiO2生长工艺简单在集成电路生产中MOS 电容可以方便地制作。目前已制成 SiO2薄膜厚度为 1 微米电容量为 360 微微 法/毫米 2 的 MOS 电容。 如果 SiO2薄膜厚度为 8001000 埃的话 则电容量可达 30004000 微微/毫米 2。但因 MOS 电容占用面积大所以在集成电路设计时 一般都尽量避免采用 MOS 电容。 作为 MOS 场效应晶体管的绝缘栅材料 在 MOS 场效应晶体管中SiO2薄膜起着十分重要的作用它是晶体管的绝 缘栅介质。SiO2薄膜的厚度和质量直接决定着 MOS 场效应管的多个电参数所 以在 MOS 场效应晶体管及其集成电路生产中 对栅极 SiO2薄膜的质量和厚度的 控制有十分严格的要求。 2热生长氧化层的方法及原理 在半导体器件生产中有许多制取 SiO2薄膜的方法。如热生长、热分解、 阴极溅射、HFHNO3气相钝化、真空蒸发、外延淀积、阳极氧化。在本次实验 中主要采用热生长氧化层化的方法。其方法将硅片放入高温炉内 在氧气氛中使 硅片表面在氧化物质作用下生长 SiO2薄层。氧化气氛可为水汽、湿氧或干氧。 下面分别介绍不同氧化气氛下的热生长机理和氧化规律。 干氧氧化法 干氧氧化的氧化层生长机理是高温下的氧分子与硅片表面的 Si 原子反应 生成 SiO2起始层其反应式为 SiO2= SiO2 此后由于起始氧化层阻止了氧分子和与 Si 表面的直接接触氧分子只有 以扩散方式通过 SiO2层到达 SiO2Si 界面才能与 Si 原子反应生成新的 SiO2层使 SiO2薄膜继续增厚。 由上述生长机理容易理解SiO2的生长速率受两种因素的影响其一是氧分 子在 SiO2中的扩散速率其二是 SiO2Si 界面处氧分子与 Si 原子的反应速率。 通过对氧化过程的理论分析和数学求解 可以得到反映热生长氧化规律的普 遍数学表达式)( 2 tCDXX 2.3 由上式可得到氧化层厚度和氧化时间关系的解 1 4/ 1 2/ 2 CD t D X 2.4 对于较长的氧化时间即CDt4/ 2 上述普遍关系式趋近于抛物线关系 即有 CtX 2 2.5 对于较短的氧化时间即CDt4/)( 2 上述普遍关系式趋近于线性关 系即有 )(/(tDCX 2.6 式中 X氧化层厚度 t氧化时间 C抛物线氧化速率常数 C/D线性氧化速率常数 考虑存放在空气中的硅片表面都生长有100200埃的天然氧化 层后对氧化时间所作的修正。对于湿氧氧化可忽略不计。 大量的实验表明上述理论结果与实验结果很好相符。对于半导体器件生产 中的热氧化由于氧化温度高氧化时间又很长因此氧化层厚度和时间关系服 从2-6式的抛物线规律。 图 2.4 给出一组干氧氧化的实验曲线。由这组实验曲线可以更进一步地了解 干氧氧化法的规律。由图可以看到同一温度下的实验曲线基本上为一条直线。 由 1200所对应的那条实验曲线可以看到当氧化时间为 30 分钟时其氧化层 厚度约为 1.5103埃。当氧化时间为 270 分钟时其氧化层厚度约为 4.5103 埃。由此可见氧化层厚度约为 1930 埃故氧化速率常数为 分微米 分 微米 /102 . 6 60 )193. 0( 24 22 t X C 2.7 实践表明当氧化温度高于 1000时氧化过程基本上符合(2.5)式的抛物 线关系并且氧化速率常数 C 主要受氧分子在氧化层中的扩散速率所控制。温 度越高氧分子在氧化层中的扩散越快因此氧化速率常数 C 越大。当氧化温 度低于 1000时氧化层的生长规律与2.5式发生偏离。当温度低于 700 时 氧分子与硅原子的化学反应速率很低 因此氧化层的生长速率主要受 Si-SiO2 界面处的化学反应速率所控制。氧化层厚度与氧化时间的关系为2.6式的线 性关系。氧化层的生长速度很慢。 图 2.4 111硅干氧氧化层厚度与时间的关系 湿氧氧化法 湿氧氧化与干氧氧化不同之处是将干氧通入炉子前 先通过加热的高纯去离 子水使氧气中携带一定量的水汽。因此在湿氧氧化中既有氧的氧化作用又 有水的氧化作用。 氧化层的生长速率与氧化温度及氧气流中的水汽含量均有关水 汽含量由水浴温度和气体流速决定。水浴温度越高水汽含量越多氧化层的生 长速率越接近水汽氧化的生长速率。实验表明当氧化温度在 1000以上时 湿氧氧化规律基本上符合2.5式的抛物线关系。湿氧氧化层的生长速率比干 氧快。水浴温度和氧化温度对氧化速率 C 都有很大影响。在生产上当需要生 长较厚的氧化层时 必须采用适当高的氧化温度和高的水浴温度否则氧化时间 太长生产效率太低。如果所需要的氧化层比较薄则应选用比较低的氧化温度 和低的水浴温度或者采用干氧氧化否则会因氧化时间太短不易控制 SiO2 层的厚度和均匀性。 SiO2掩蔽厚度的确定 要精确地确定对扩散杂质起掩蔽作用的合理厚度 必须采用放射性示踪等实 验技术。然而目前生产上已经积累了相当丰富的实践经验在一般情况下只 要估算出对扩散杂质起掩蔽作用所需的最小厚度并根据实践经验加上适当的 余量作为实际掩蔽膜厚度经试验再作适当修正就能确定出适合生产要求的 SiO2掩蔽膜的厚度。 如前所述 杂质在 SiO2中的扩散服从扩散规律。 如果定义扩散杂质扩透 SiO2 层并在 SiO2Si 界面处形成 PN 结的 SiO2层厚度为对扩散杂质起掩蔽作 用所需的最小 SiO2厚度则由公式2.1可以看出只要扩散时间和扩散系数 已知对扩散杂质起掩蔽作用所需的最小 SiO2厚度即可求出。在硅平面器件生 产中几种常用杂质在 SiO2中的扩散系数 D 可由图 2.2 求出。A 的取值与 SiO2 表面处的杂质浓度SiO2层下 Si 衬底的表面浓度有关。 三实验步骤 根据二氧化硅热生长法的机理 目前热生长二氧化硅膜常采用干湿干的 氧化方法。在湿氧氧化前先通一段时间干氧有利于保持 Si 片表面完整性提 高表面性能湿氧氧化速率快生长的 SiO2薄膜质量基本满足要求。由于湿氧 生长 SiO2薄膜表面眲在硅烷醇Si-OH 若在湿氧氧化后再通一段时间的干 氧可使 SiO2表面的硅烷醇Si-OH转变成硅烷Si-OSi从而改善了 SiO2 表面与光刻胶的接触使光刻不易产生浮胶。 1氧化前硅片的清洗 氧化工艺是集成电路工艺中的前道工序 硅片清洗质量的好坏不仅影响氧化 层的质量也会对器件性能的稳定产生影响所以清洗工作必须规范、认真、仔 细。 去油用丙酮或氯化碳等试剂浸泡硅片几分钟将切、磨、抛硅片时残留的 石蜡、油等去除。 用 1 号洗液配方H2O:H2O2NH4OH=5:2:1煮沸硅片 1 分钟倒掉洗液 用去离子水反复冲洗硅片几遍。 用 2 号洗液配方H2O:H2O2HCL=5:2:1煮沸硅片 1 分钟后倒掉洗液 用去离水反复冲洗硅片几遍。 然后用无水乙醇脱水放入干净的培养皿中 准备氧 化。 2二氧化硅膜制备的操作 如图 2.5 所示的是湿氧氧化装置干氧氧化装置将干氧直接通入高温炉中。 图 2.5 湿氧氧化装置 干氧的氧化条件炉温 1180 氧气流量 0.4 升/分 湿氧的氧化条件炉温 1180 氧气流量 0.4 升/分 水浴温度 95 氧化方法干氧 15 分钟湿氧 60 分钟干氧 15 分钟 操作时应注意为了防止硅片由室温区很快到达高温区因应力而产生缺陷 将硅片推入高温炉内时要循序渐进地慢慢推入。 当氧化结束时硅片同样要慢慢地 拉出高温炉。 当硅片温度达到室温时 用镊子轻轻地将硅片取下 放入培养皿中 准备测量二氧化硅的厚度。 3二氧化硅薄膜厚度的测试 测定二氧化硅层厚度方法有比色法干涉法椭圆偏振法等。本次实验采用 的是干涉法其设备简单测量方便也比较准确。其测量方法如下 在一块已氧化好的硅片上用石腊将其三分之二的氧化膜保护住随后放在 40%的氢氟酸中将未被腊保护的 SiO2层腐浊掉再用热的无水乙醇将腊涂去 这样在硅片表面就出现 SiO2Si 的台阶如图 2.6 所示把 SiO2Si 界面放在 6JA 干涉显微镜下观察 在台阶处可看到明暗相间的弯曲干涉条纹如图 2.7 所示 通过测量干涉条纹的弯曲量计算后就得到二氧化硅层的厚度。 图 2.6 图 2.7 四实验仪器设备与简介 1实验仪器设备 氧化设备包括氧化炉、控温器、氧气瓶、电炉、2000CC 烧杯、石英管、 氧气瓶到石英管系统等一套。 6JA 干涉显微镜金相显微镜各 2 台 硅片若干片 不锈钢镊子 3 把 石英花兰 一个 烧杯 2000CC 2 个 塑料烧杯 一个 培养皿 3 付 电炉 一个 2氧化炉结构与控制器简介 图 2.8 氧化炉结构图 氧化炉如图 2.8 所示。氧化炉基本上由外壳、保温层以及有三段电阻丝的陶 瓷管组成石英管放在陶瓷管当中。一台炉子上有 4 支铂一铂铑热电偶其中三 支热电偶作为主付控的讯号源另一支作为报警讯号源热电偶测定炉膛温度 将热电势讯号输送到温度控制器与警报装置由给定器给出设定温度值 如热电 偶与定值器输出毫伏值有偏差 则说明炉温偏离给定 且偏差经微伏放大送入 P、 I、D 调节器再经可控硅触发器去推动可控硅执行器以相应调整炉丝加热功 率。从而使偏差迅速消除达到保温状态。 36JA 型干涉显微镜的工作原理及其使用 16JA 干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合将被测件和标准光学镜面相比 较用光波波长作为尺子来衡量工件表面的不平深度 由于光洁度是微观不平深 度所以用显微物镜进行高倍放大后再进行观察和测量。 为了获得干涉必须使光源 S 发出的光束 经分光板 T 后分为两束 见图 2.9 一束透过分光板 T补偿板 T1显微物镜 O2反射向被测硅片 P2的表面由 P2 反射后经原路返回至分光板 T1再在 T 上反射射向观察目镜 O3另一束由分 光板 T 反射后通过物镜 O1射到标准镜 P1上由 P1反射再经物镜 O1并透过分 光板 T1也射向观察目镜 O3它与第一束光线相遇产生干涉通过目镜 O3可以 看到定位的硅片表面上的干涉条纹。 图 2.9 仪器光学系统图 O1 O2显微物镜 O2目镜 O2照相物镜 O6O7 O8照相聚光镜 S1、S2反光镜 S3可调反光镜 P1标准镜面 P2工作测量面 P3照相底片 T分光板 T1补偿板 B遮光板 F干涉滤色片 Q1现场光栏 Q2孔径光栏 S灯源 分光板 T补偿板 T1物镜 O1、O2以及标准镜 P1等都经过精密加工如果被 测硅片表面很平整那么就可以看到没有曲折的直线干涉条纹。调节 P1、P2至 物镜 O1、O2的距离使目镜视场中能清晰看到 P1和 P2表面象同时物镜 O1、 O2离分光板分光点的光学距离相等说明干涉仪的二臂之长相等现场中再现 零次干涉条纹用白光照明时视场中央出现二条近似黑色对称条纹再其次 对称发布着数条彩色条纹。 使 P2作高低方向微量移动时视场中干涉条方也作相应的位移P2的移动 量 t 与视场中干涉条纹的移动量N有确定的关系。T 等于2/时为光波波 长视场中干涉条纹移动一个条纹间隔即原来零次条纹移动 1 条条纹的位置原 来 1 次条纹移到 2 次条纹的位置如果 P2上有一凹穴或凸缘其凹凸的深 度为 t,那么在视场中此凹部分成像处的干涉条纹也相应弯曲弯曲量M单位 为条纹间隔数量几个条纹或几分这一个条纹间隔 t 与N也与上述一样有确定 的关系即Nt2/因此测量时与干涉条纹的视见度无关。 本仪器就是用测量视场中干涉条纹的弯曲量 反过来同硅片二氧化硅膜的厚 度。 2介绍找干涉带的简要方法 将灯源线与变压器相连接然后将变压器与电源接好照明灯亮。 如图 2.9 所示将手轮10转到目视位置在目镜管口上插入 12.5 倍 测微目镜进入观察。转动手轮8使目镜视场中弓形直边刀口象清晰如图 2.10。 转动手轮6将遮光板 B 转出光路用手转动滚花盘2C使物镜地工 件表面进行调焦至工作表面象清晰地成象在目镜视场中。 转动手轮6将遮光板 B 转出光路同时慢慢地来回转动手轮14直 到视场中出现最清晰的干涉条纹此时把手柄12向右推到