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 .2?2.66?20℃??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?随着时下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愈来愈普遍。 ?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 表明上进行扩散。例如在基区硼?B 扩散中?当包围着 Si 片的杂质蒸汽内的 B2O3 向基区 Si 表面扩散时? B2O3 SiO2 薄膜扩散?其过程如图 2 ? 也向 ?1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 B2O3 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X的?扩A散深D度SiO具有?t同样的表达式?即有 2 ?2.1 ? 上式表明?扩散温度越高?扩散的时间越长?杂质在 SiO2 度也越大。硼硅玻璃——二氧化硅的界面越靠近 SiO2?Si 层表面的扩散深 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 Xi 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 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 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 层?进入 SiO2 层下的 Si 表面?使 SiO2 薄膜掩蔽失效。由此可见 SiO2 蔽作用的条件有二?第一?所选用的杂质元素在 SiO2 时? 薄膜覆 薄膜 薄 薄膜起掩 中的扩散系数必须比其在 Si 中的扩散系数小?第二?SiO2 薄膜一定要有足够的厚度?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 系数为小。在 1100℃时磷在 Si中的扩散系数约为其在 SiO2 中 1000 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 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 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 下式计算? Xmin ? 4.6 Dt 中的扩散 倍左右?但 中的为小。只有硼 ?对于余误 厚度可用 ?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 这一方面使在后面的整个工艺流程中?Si 片表面上。 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 用。另一方面?由于覆盖在表面的 SiO2 薄膜把 Si 片表面及 P?N 气氛隔离开来?这就使得 Si 片表面的作 结同外界环境 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 大或者正离子(特别是钠离子)沾污严重的 SiO2 层的质量紧密相关。针孔密度 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。因此最好能够降低 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。 ① 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 P?N 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 P?N 结隔离来?在某些方面 具备比较好的隔离效果?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 P?N 隔离工艺复杂?因 此成品率不如 P?N 结隔离高?这是它的缺点。图 2-5 是 SiO2 介质隔离和 P?N 结隔离结构的示意图。 图 2.3 集成电路中元件的隔离 ② 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 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 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。 ③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 3?4?损耗因数为 10-1? 10 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 -3?而且 SiO2 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 法/毫米 2 的 MOS 电容。如果 SiO2 薄膜厚度为 800?1000 3000?4000微微/毫米 2。但因 MOS 微微 埃的话?则电容量可达 电容占用面积大?所以在集成电路设计时? 一般都尽可能的避免采用 MOS 电容。 ④作为 M OS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 阴极溅射、HF?HNO3 薄膜的方法。如?热生长、热分解、 气相钝化、真空蒸发、外延淀积、阳极氧化。在本次实验 中主要是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。 ①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? Si?O2= SiO2 此后?由于起始氧化层阻止了氧分子和与 Si 以扩散方式通过 SiO2 层?到达 SiO2?Si 界面?才能与 Si SiO2 层?使 SiO2 表面的直接接触?氧分子只有 原子反应?生成新的 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 SiO2?Si 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?能够获得反映热生长氧化规律的普 遍数学表达式? X 2 ? DX ? C(t ? ? ) ?2.3 ? 由上式可得到氧化层厚度和氧化时间关系的解? X/ ? ? Dt2? ?C ? 1 1 ?2.4 D 2 / 4 ? 对于较长的氧化时间?即t ?? D2 / 4C 即有? X 2 ? Ct ?上述普遍关系式趋近于抛物线 ? 对于较短的氧化时间?即 (t ? ? ) ?? D2 / 4C 系?即有? X ? (C / D)(t ? ?) 式中 X ?上述普遍关系式趋近于线 ? ——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 10 0?200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 图 2.4 ?式的抛物线规律。 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。由图能够正常的看到?同一温度下的实验曲线基本上为一条直线℃所对应的那条实验曲线能够正常的看到?当氧化时间为 30 厚度约为 1. 分钟时?其氧化层 5×103 埃。当氧化时间为 270 分钟时?其氧化层厚度约为 4.5×103 埃。由此可见氧化层厚度约为 1930埃?故氧化速率常数为? ( 2 4 2 C 微米 6.2 10 / ?2.7 ? Xt 0.193 ) 2 ? ? ? ? 微米 分 ? 60 分 实践表明?当氧化温度高于 1000℃时?氧化过程基本上符合(2.5) 线关系?并且氧化速率常数 C 式的抛物 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。当温度不高于 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 ②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 湿氧氧化规律基本上符合?2.5 ℃以上时? ?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?一定要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。 ③SiO2 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?一定要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规格要求的 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 SiO2?Si 界面处形成 P?N 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 ?能够准确的看出?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 高表面性能?湿氧氧化速率快?生长的 SiO2 片表面完整性?提 薄膜质量基本满足规定的要求。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-O?Si?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。 ①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。 ②用 1号洗液?配方?H2O:H2O2?NH4OH=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。 ③用 2 2O:H2O2?HCL=5:2:1?煮沸硅片 1 号洗液?配方?H 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?为避免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 SiO2?Si 的台阶?如图 2.6 所示?把 SiO2?Si 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 界面放在 所示? 经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?实验仪器设施与简介 1 ?实验仪器设施 ①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。 ②6JA干涉显微镜?金相显微镜各 2台 ③硅片若干片 ④不锈钢镊子 3把 ⑤石英花兰 一个 ⑥烧杯 2000CC 2个 ⑦塑料烧杯 一个 ⑧培养皿 3付 ⑨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。 3?6JA 型干涉显微镜的工作原理及其使用 ?1?6JA 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 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 并透过分 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 测硅片表面很平整?那么就能够正常的看到没有曲折的直线 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 等都经过精密加工?如果被 至 、 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 与视场中干涉条纹的移动量?N 等于?/ 2时?? 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 来 1 次条纹移到 2 次条纹的位置?如果 P2 的移动 量 t 有确定的关系。T 为光波波 条条纹的位置?原 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 的关系?即t ??/ 2?N 与?N 也与上述一样有确定 ?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 ①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。 ②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。 ③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 件表明上进行调焦?至工作表面象清晰地成象在目镜视场中。 ④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?向右推到底即把干涉滤色片 从光路中移出?就可以观察到彩色干涉条纹。若观察到的干涉条纹还不够理想。 要再精确地调节滚化盘?2C??手轮?8???14?就能得到最佳的工件有面及干涉 带?再转动?7???9?能够获得最好的对比所需宽度和方向的干涉条纹。 ?3?测量条纹的弯曲量及计算薄膜厚度 干涉条纹的弯曲量?同样用测微鼓上分划表示?用一个十字线对准干涉条纹 中间?此时读数为 N3?然后用同一条十字线对准同一条干涉条纹在弯曲值为多少 个干涉条纹的间隔可用下式表示? N ? ?? ·n条干涉条纹 N N ? 3 N4 N 2 1 ?2.8 ? 在白光工作时?一个干涉条纹的弯曲量相应于被测量表面不平深度为 0.27 微米?此时不平深度可用下式计算? t ? ?? 0 NN NN .27 ·n条干涉条纹 3 4 2 1 ?2.9 ? 式中: t N1 N2 N3 N4 n ——不平深度?微米 ——测量间隔时第一次读数 ——测量间隔时第二次读数 ——测量条纹弯曲量时第一次读数 ——测量条纹弯曲量时第二次读数 ——测量的二个条纹所含的间隔数白光时 n=1 图 2.10 五?实验结果 a.记录氧化过程的各次数据 b.用 6JA干涉显微镜测量时为避免误差?要测量 3?4次后取平均值代入 公式计算得出最后结果?所有数据需列表。 t ? ?? 利用?2.9?式计算氧化层厚度?其中 n=1,所以 0 NN NN .27 3 4 2 1 次数 N1 N2 N3 N4 t? m? 第一次 5.010 4.586 6.226 5.846 0.2420 第二次 5.513 5.014 6.725 6.284 0.2386 第三次 5.668 5.239 6.796 6.405 0.2461 平均值 0.2422 六、实验感想 这次实验真实的操作的机会很少?主要是看老师的演示实验?因此重点是 认真观看。在测量氧化层厚度时?也是指导老师调试好仪器之后?直接观察记录 实验数据。对于测量的原理有初步的印象?并没有完全掌握住这种方法。这样的 实验给我的感触还是很大的?在很多我们没办法真实的操作时该如何去做是值得 我们学习考虑的。

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