1、二氧化硅薄膜的制備及檢測第二題概要二氧化硅薄膜的制備及測試二氧化硅的構造及性質(zhì)二氧化硅在集成電路中的主要作用二氧化硅薄膜的制備及工藝參數(shù)二氧化硅薄膜的檢測硅工藝開展歷程1SiO2的構造二氧化硅按其構造一般有晶態(tài)和非晶態(tài)兩種。實驗證實，常規(guī)熱生長形式所生成的氧化硅介質(zhì)膜屬非本征氧化硅介質(zhì)膜構造，其主體構造單元為硅氧四面體構成的三維無序組合的網(wǎng)絡構造。密度：密度是SiO2致密程度的標志，密度以稱重法測量，無定形SiO23；折射率：表征光學性質(zhì)的參數(shù)，不同方法制備的SiO2折射率不同，但差異不大，一般致密那么折射率大，當波長5500單色光入射時，SiO2的折射率為1.46；電阻率： SiO2是良好的

2、絕緣體，其禁帶寬度9ev。電阻率與制備方法及所含雜質(zhì)等有關，干氧氧化的SiO2電阻率可到達1016 ；介電強度：用作絕緣介質(zhì)時，常用介電強度，即用擊穿電壓來表示SiO2薄膜耐壓才能。其數(shù)值大小與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量等有關，一般在106107V/cm；介電常數(shù)：表征電容性能的參數(shù)，MOS電容器化學性質(zhì)：SiO2的化學性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下只和HF反響。SiO2與強堿溶液也發(fā)生極慢的化學反響，生成硅酸鹽。2.集成電路中二氧化硅的主要作用：擴散時的掩蔽層，離子注入的(有時與光刻膠、Si3N4一起使用)阻擋層作為集成電路的隔離介質(zhì)材料作為電容器的絕緣介質(zhì)材料作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料作為對器件外

3、表和電路進展保護或鈍化的鈍化層材料在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì) 針對不同的用處和要求,很多SiO2薄膜的制備方法得到了開展與應用,主要有：化學氣相淀積，物理氣相淀積，熱氧化法，溶膠凝膠法和液相沉積法等3.1化學氣相沉積(CVD) 化學氣相淀積是利用化學反響的方式，在反響室內(nèi)，將反響物通常是氣體生成固態(tài)生成物，并淀積在硅片外表是的一種薄膜淀積技術。因為它涉及化學反響，所以又稱CVD。CVD法又分為常壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)和光化學氣相沉積等。各種不同的制備方法和不同的反響體系生長SiO2所要求的設備和工藝條件都

4、不一樣,且各自擁有不同的用處和優(yōu)缺點。目前最常用的是等離子體增強化學氣相沉積法。3.1.1等離子體增強化學氣相沉積法 利用輝光放電,在高頻電場下使稀薄氣體電離產(chǎn)生等離子體,這些離子在電場中被加速而獲得能量,可在較低溫度下實現(xiàn)SiO2薄膜的沉積。這種方法的特點是沉積溫度可以降低,一般可從LPCVD中的700下降至200,且生長速率快,可準確控制沉積速率(約1nm樸s),生成的薄膜構造致密;缺點是真空度低,從而使薄膜中的雜質(zhì)含量(Cl、O)較高,薄膜硬度低,沉積速率過快而導致薄膜內(nèi)柱狀晶嚴重,并存在空洞等。3 使用紫外汞燈(UV2Hg)作為輻射源,利用Hg敏化原理,在SiH4+N2O混合氣體中進展

5、光化學反響。SiH4和O2分2路進入反響室,在紫外光垂直照射下,反響方程式如下 3O2 2O 3 ( 195 nm ) O 3 O + O2 (200 300 nm )總反響式為 SiH4+ 2O2+SiO2+ 氣體副產(chǎn)物(通N 2 排出) 3.2物理氣相沉積(PVD) 物理氣相沉積主要分為蒸發(fā)鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜三大類。其中真空蒸發(fā)鍍膜技術出現(xiàn)較早,但此法沉積的膜與基體的結合力不強。在1963年,美國Sandia公司的D.M.Mattox首先提出離子鍍(IonPlating)技術,1965年,美國IBM公司研制出射頻濺射法,從而構成了PVD技術的三大系列蒸發(fā)鍍,濺射鍍和離子鍍。3.3熱氧

6、化法 熱氧化工藝是在高溫(9001200)使硅片外表氧化形成SiO2膜的方法,包括干氧氧化、濕氧氧化以及水汽氧化。 其中還有一種制備超薄SiO2薄膜的新方法快速熱工藝氧化法,這種方法采用快速熱工藝系統(tǒng),準確地控制高溫短時間的氧化過程,獲得了性能優(yōu)良的超薄SiO2薄膜。3.3熱氧化法三種氧化方法的比較 速度 均勻重復性 構造 掩蔽性 水溫干氧： 慢 好 致密 好濕氧： 快 較好 中 根本滿足 95水汽：最快 差 疏松 較差 1023.3熱氧化法干氧氧化速度慢，氧化層構造致密，外表是非極性的硅-氧烷構造。所以與光刻膠粘附性好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。水汽氧化的速度快，但氧化層構造疏松，質(zhì)量不如干氧氧化的

7、好，特別是氧化層外表是硅烷醇，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易粘潤非極性的光刻膠，所以氧化層外表與光刻膠粘附性差。消費中經(jīng)常采用干氧-濕氧-干氧結合的方法，綜合了干氧氧化SiO2枯燥致密，濕氧氧化速率快的優(yōu)點，并能在規(guī)定時間內(nèi)使SiO2層的厚度，質(zhì)量符合要求。3.4溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是一種低溫合成材料的方法, 是材料研究領域的熱點。早在19 世紀中期, Ebelman 和Graham 就發(fā)現(xiàn)了硅酸乙酯在酸性條件下水解可以得到“玻璃狀透明的SiO 2 材料, 并且從此在黏性的凝膠中可制備出纖維及光學透鏡片。這種方法的制作費用低、鍍膜簡單、便于大面積采用、且光學性能好,適用于立體器件。 過去

8、10 年中, 人們在此方面已獲得了較大進展。通常, 多孔SiO 2 薄膜的特性依賴溶膠凝膠的制備條件、控制實驗條件(如溶膠組分、pH 值、老化溫度及時間、回流等) , 可獲得折射率在1. 009 1. 440、連續(xù)可調(diào)、構造可控的SiO 2 納米網(wǎng)絡。但是SiO 2 減反射膜(即增透膜) 往往不具有疏水的性能, 受空氣中潮氣的影響, 使用壽命較短。經(jīng)過改進, 以正硅酸乙酯(TEO S) 和二甲基二乙氧基硅烷(DDS) 2 種常見的物質(zhì)為原料, 通過二者的共水解2縮聚反響向SiO2 網(wǎng)絡中引入疏水的有機基團CH3, 由此增加膜層的疏水性能。同時, 通過對體系溶膠2凝膠過程的有效控制, 使膜層同時

9、具有良好的增透性能及韌性。此外, 在制備多孔SiO 2 膜時添加聚乙二醇(PEG) 可加強溶膠顆粒之間的交聯(lián), 改善SiO 2 膜層的機械強度, 有利于進步抗激光損傷強度。 3.5液相沉積法在化學沉積法中, 使用溶液的濕化學法因需要能量較小, 對環(huán)境影響較小, 在如今環(huán)境和能源成為世人矚目的問題之時備受歡送, 被稱為soft process (柔性過程)。近年來在濕化學法中開展起一種液相沉積法(L PD) , SiO2 薄膜是用LPD 法最早制備成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6 的水溶液為反響液, 在溶液中溶入過飽和的SiO2 (以SiO 2、硅膠或硅酸的形式) , 溶液中的反響為: H

10、2SiF6+ 2H2O SiO2+ 6HF。目前可在相當?shù)偷臏囟? 40 ) 成功地在GaAs 基底上生長SiO2 薄膜, 其折射率約為1. 423。PLD 成膜過程不需熱處理, 不需昂貴的設備, 操作簡單, 可以在形狀復雜的基片上制膜, 因此使用廣泛。4.二氧化硅膜的質(zhì)量檢測 膜的質(zhì)量主要表達在膜的外表沒有斑點、裂痕、白霧發(fā)花和針孔等缺陷。厚度到達規(guī)定指標且保持均勻。對膜中可動雜質(zhì)離子，特別是鈉離子的含量也必須是有明確的要求。檢測方法主要有:1、比色法 2、干預法比色法 直接觀察硅片氧化膜顏色，可以比較方便的估計出氧化膜的厚度。由于光干預作用，不同厚度的二氧化硅膜表現(xiàn)出不同的顏色。氧化膜的顏

11、色隨其厚度的增加而呈現(xiàn)周期性的變化。對應同一顏色，可能有幾種厚度，所以這個方法的誤差較大。不過，可將生長了二氧化硅的硅片在氫氟酸中進展腐蝕，觀察其顏色變化，確定其厚度。當厚度超度7500埃的時候，顏色的變化就不明顯了。因此，此法只適用于氧化膜厚度在一微米以下的情況。干預法 目前最常用的方法就是干預法，其設備簡單，測量方便，也比較準確。 在已經(jīng)氧化過得硅片外表，用蠟保護一定的區(qū)域，然后放入氫氟酸中，將未保護的氧化膜腐蝕掉，最后用有機溶液將蠟除凈，這是就出現(xiàn)了二氧化硅斜坡。 當波長的單色光束垂直照射在斜坡上面，如以下圖，由于二氧化硅膜是透明的，所以入射光束將分別在二氧化硅外表和二氧化硅-硅界面處反

12、射，這兩局部的反射光將產(chǎn)生干預，在顯微鏡下可以看到明暗相間的干預條紋，并根據(jù)此公式得出二氧化硅膜的厚度：橢圓偏振光法 此法是由激光器發(fā)出一定波長的激光束，經(jīng)起偏器變成線性偏振光，并確定偏振方向，再經(jīng)過1/4波長片，由于雙折射現(xiàn)象，使其產(chǎn)生為相位相差90的兩局部光，它們的偏振方向互相垂直，所以變成橢圓偏振光。橢圓偏振光法 對于一定厚度的某種膜，啟動起偏器，總可以找到一個方位角，使反射光變成線性偏振光。這是轉動檢偏器，當檢偏器的方位角與反射線偏振光互相垂直的時，光束不能通過，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。消光時， 這時的d和n也是P和A的函數(shù)，可以由的P,A-d，n關系圖，根據(jù)的P、A求出d和n。氧化膜的缺陷的類型和檢測 (1)宏