二氧化硅薄膜的制备及检测 第二题
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256G 0.50.6 <1
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栅氧化层漏电流 （DRAM） （pAμ m-2）
隧穿氧化层厚度（nm） 最多的布线层数 用于层间绝缘层的介电 常数K
二氧化硅薄膜的制备及检测
杨志欣
二氧化硅薄膜的制备及测试
1.二氧化硅的结构及性质 2.二氧化硅在集成电路中的主要作用 3.二氧化硅薄膜的制备及工艺参数 4.二氧化硅薄膜的检测 5.硅工艺发展历程
1.1SiO2的结构
• 二氧化硅按其结构一般有晶态和非晶态两种。实验证实， 常规热生长模式所生成的氧化硅介质膜属非本征氧化硅 介质膜结构，其主体结构单元为硅氧四面体构成的三维 无序组合的网络结构。
3.5 液相沉积法
在化学沉积法中, 使用溶液的湿化学法因需要能量较小, 对 环境影响较小, 在如今环境和能源成为世人瞩目的问题之 时备受欢迎, 被称为soft process (柔性过程)。近年来在湿 化学法中发展起一种液相沉积法(L PD) , SiO2 薄膜是用 LPD 法最早制备成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6 的 水溶液为反应液, 在溶液中溶入过饱和的SiO2 (以SiO 2、 硅胶或硅酸的形式) , 溶液中的反应为: H2SiF6+ 2H2O SiO2+ 6HF。目前可在相当低的温度(～ 40 ℃) 成功地在 GaAs 基底上生长SiO2 薄膜, 其折射率约为1. 423。PLD 成膜过程不需热处理, 不需昂贵的设备, 操作简单, 可以在 形状复杂的基片上制膜, 因此使用广泛。
3.1.2光化学气相沉积法
使用紫外汞灯(UV2Hg)作为辐射源,利用Hg敏化原理, 在SiH4+N2O混合气体中进行光化学反应。SiH4和 O2分2路进入反应室,在紫外光垂直照射下,反应方 程式如下 3O2 2O · 3 (< 195 nm ) O· 3O· + O2 (200～ 300 nm ) 总反应式为 SiH4+ 2O2+SiO2+ 气体副产物(通N 2 排 出)
氧化膜的颜色随其厚度的增加而呈现周期性的变化。 对应同一颜色，可能有几种厚度，所以这个方法的误差较
大。不过，可将生长了二氧化硅的硅片在氢氟酸中进行腐
蚀，观察其颜色变化，确定其厚度。 当厚度超度7500埃的时候，颜色的变化就不明显了。因此， 此法只适用于氧化膜厚度在一微米以下的情况。
4.2干涉法
• 介电强度：用作绝缘介质时，常用介电强度，即用击穿电压来表示SiO2薄膜 耐压能力。其数值大小与致密程度、均匀性、杂质含量等有关，一般在106－ 107V/cm； • 介电常数：表征电容性能的参数，MOS电容器 • 化学性质：SiO2的化学性质稳定，常温下只和HF反应。SiO2与强碱溶液也发 生极慢的化学反应，生成硅酸盐。
4.5氧化膜的缺陷的类型和检测
1.氧化膜缺陷类型
(1)宏观缺陷 宏观缺陷又称表面缺陷，主要包括：氧化层厚度 不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等。 (2)微观缺陷 氧化膜的微观缺陷是指钠离子沾污和热氧化层错。
4.5氧化膜的缺陷的类型和检测 2.氧化膜缺陷的检测
(1)表面观察法 二氧化硅表面存在的斑点、裂纹、 白雾和针孔等缺陷，以及膜厚的不均匀性，可以 用肉眼或显微镜进行目检或镜检来鉴别。 (2)氯气腐蚀法 二氧化硅表面存在的针孔、裂纹等 不连续缺陷，可用氯气腐蚀法检测。
目前最常用的方法就是干涉法，其设备 简单，测量方便，也比较准确。 在已经氧化过得硅片表面，用蜡保护 一定的区域，然后放入氢氟酸中，将未保 护的氧化膜腐蚀掉，最后用有机溶液将蜡 除净，这是就出现了二氧化硅斜坡。 当已知波长的单色光束垂直照射在斜 坡上面，如图所示，由于二氧化硅膜是透 明的，所以入射光束将分别在二氧化硅表 面和二氧化硅-硅界面处反射，这两部分的 反射光将产生干涉，在显微镜下可以看到 明暗相间的干涉条纹，并根据此公式得出 二氧化硅膜的厚度：
4.二氧化硅膜的质量检测
膜的质量主要体现在膜的表面没有斑点、裂 痕、白雾发花和针孔等缺陷。厚度达到规定指标 且保持均匀。对膜中可动杂质离子，特别是钠离 子的含量也必须是有明确的要求。检测方法主要 有: • 1、比色法 • 2、干涉法 • 3.椭圆偏振光法
4.1比色法
直接观察硅片氧化膜颜色，可以比较方便的估 计出氧化膜的厚度。由于光干涉作用，不同厚度 的二氧化硅膜表现出不同的颜色。
5.硅工艺发展历程
第一个DRAM上市年份 最小特征尺寸（nm） DRAM位/芯片 最小电源电压（V）
1997 250
1999 180
2003 130
2006 100
2009 70
2012 50
等效的栅氧化层厚度 Tox(nm) 厚度控制3σ （％） 等效的最大电场强度 （MV cm-1）
256M 1.82.5 4-5
2.集成电路中二氧化硅的主要作用：
• 扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4一起 使用)阻挡层 • 作为集成电路的隔离介质材料 • 作为电容器的绝缘介质材料 • 作为多层金属互连层之间的介质材料 • 作为对器件表面和电路进行保护或钝化的钝化层材料 • 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质
3.3热氧化法
三种氧化方法的比较 速度 均匀重复性 结构 掩蔽性 水温 干氧： 慢 好 致密 好 湿氧： 快 较好 中 基本满足 95℃ 水汽：最快 差 疏松 较差 102℃
3.3热氧化法
干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧 烷结构。所以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。 • 水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化 的好，特别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水， 极性的水不易粘润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻 胶粘附性差。 • 生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧 化SiO2干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时间 内使SiO2层的厚度，质量合乎要求。
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8.5
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6 3-4.1
百度文库
6-7 2.5-3
7 1.5-2
7-8 1.5-2
8-9 <1.5
9 <1.5
3.2物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜 和溅射镀膜三大类。其中真空蒸发镀膜技术出现 较早,但此法沉积的膜与基体的结合力不强。在 1963年,美国Sandia公司的D.M.Mattox首先提出 离子镀(IonPlating)技术,1965年,美国IBM公司研 制出射频溅射法,从而构成了PVD技术的三大系 列——蒸发镀,溅射镀和离子镀。
3.3热氧化法
热氧化工艺是在高温(900～ 1200 ℃) 使硅片 表面氧化形成SiO2 膜的方法, 包括干氧氧化、湿 氧氧化以及水汽氧化。 其中还有一种制备超薄SiO2薄膜的新方法— —快速热工艺氧化法,这种方法采用快速热工艺系 统, 精确地控制高温短时间的氧化过程, 获得了性 能优良的超薄SiO2薄膜。
4.3椭圆偏振光法
对于一定厚度的某种膜，启动起偏器，总可以找到 一个方位角，使反射光变成线性偏振光。这是转动检偏 器，当检偏器的方位角与反射线偏振光相互垂直的时， 光束不能通过，出现消光现象。消光时，
这时的d和n也是P和A的函数，可以由已知的（P,A）（d，n）关系图，根据已知的P、A求出d和n。
1.2二氧化硅的主要性质
• 密度：密度是SiO2致密程度的标志，密度以称重法测量，无定形SiO2密度一 般2.20g/cm3； • 折射率：表征光学性质的参数，不同方法制备的SiO2折射率不同，但差异不 大，一般致密则折射率大，当波长5500Å 单色光入射时，SiO2的折射率为 1.46；
• 电阻率： SiO2是良好的绝缘体，其禁带宽度9ev。电阻率与制备方法及所含 杂质等有关，干氧氧化的SiO2电阻率可达到1016Ω.cm；
3.4 溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是一种低温合成材料的方法, 是材料研究领域的热点。 早在19 世纪中期, Ebelman 和Graham 就发现了硅酸乙酯在酸性条件 下水解可以得到“玻璃状透明的”SiO 2 材料, 并且从此在黏性的凝胶 中可制备出纤维及光学透镜片。这种方法的制作费用低、镀膜简单、 便于大面积采用、且光学性能好,适用于立体器件。 过去10 年中, 人们在此方面已取得了较大进展。通常, 多孔SiO 2 薄膜的特性依赖溶胶凝胶的制备条件、控制实验条件(如溶胶组分、 pH 值、老化温度及时间、回流等) , 可获得折射率在1. 009～ 1. 440、 连续可调、结构可控的SiO 2 纳米网络。但是SiO 2 减反射膜(即增透 膜) 往往不具有疏水的性能, 受空气中潮气的影响, 使用寿命较短。经 过改进, 以正硅酸乙酯(TEO S) 和二甲基二乙氧基硅烷(DDS) 2 种常见 的物质为原料, 通过二者的共水解2缩聚反应向SiO2 网络中引入疏水 的有机基团——CH3, 由此增加膜层的疏水性能。同时, 通过对体系溶 胶2凝胶过程的有效控制, 使膜层同时具有良好的增透性能及韧性。此 外, 在制备多孔SiO 2 膜时添加聚乙二醇(PEG) 可加强溶胶颗粒之间的 交联, 改善SiO 2 膜层的机械强度, 有利于提高抗激光损伤强度。
3.1.1等离子体增强化学气相沉积法
利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产 生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得 能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方 法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的 700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积 速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空 度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬 度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重 ,并存在空洞等。
2n N：为干涉条纹，
X0 N
( X 0 : 为膜厚度，
：为入射单色光的波长 ，
n：为入射光的折射率 )
4.3椭圆偏振光法
此法是由激光器发出一定波长的激光束，经起偏器变成线 性偏振光，并确定偏振方向，再经过1/4波长片，由于双折射现象， 使其产生为相位相差90°的两部分光，它们的偏振方向相互垂直， 所以变成椭圆偏振光。
3.二氧化硅薄膜的制备
针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜 的制备方法得到了发展与应用,主要有：化 学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法， 溶胶凝胶法和液相沉积法等
3.1化学气相沉积(CVD)
化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内， 将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片 表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以 又称CVD。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉 积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学 气相沉积等。 各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的 设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺 点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。
1G 4G 16G 1.51.2-1.5 0.91.8 1.2 3-4 2-3 1.5-2
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栅氧化层漏电流 （DRAM） （pAμ m-2）
隧穿氧化层厚度（nm） 最多的布线层数 用于层间绝缘层的介电 常数K
二氧化硅薄膜的制备及检测
杨志欣
二氧化硅薄膜的制备及测试
1.二氧化硅的结构及性质 2.二氧化硅在集成电路中的主要作用 3.二氧化硅薄膜的制备及工艺参数 4.二氧化硅薄膜的检测 5.硅工艺发展历程
1.1SiO2的结构
• 二氧化硅按其结构一般有晶态和非晶态两种。实验证实， 常规热生长模式所生成的氧化硅介质膜属非本征氧化硅 介质膜结构，其主体结构单元为硅氧四面体构成的三维 无序组合的网络结构。
3.5 液相沉积法
在化学沉积法中, 使用溶液的湿化学法因需要能量较小, 对 环境影响较小, 在如今环境和能源成为世人瞩目的问题之 时备受欢迎, 被称为soft process (柔性过程)。近年来在湿 化学法中发展起一种液相沉积法(L PD) , SiO2 薄膜是用 LPD 法最早制备成功的氧化物薄膜。通常使用H2SiF6 的 水溶液为反应液, 在溶液中溶入过饱和的SiO2 (以SiO 2、 硅胶或硅酸的形式) , 溶液中的反应为: H2SiF6+ 2H2O SiO2+ 6HF。目前可在相当低的温度(～ 40 ℃) 成功地在 GaAs 基底上生长SiO2 薄膜, 其折射率约为1. 423。PLD 成膜过程不需热处理, 不需昂贵的设备, 操作简单, 可以在 形状复杂的基片上制膜, 因此使用广泛。
3.1.2光化学气相沉积法
使用紫外汞灯(UV2Hg)作为辐射源,利用Hg敏化原理, 在SiH4+N2O混合气体中进行光化学反应。SiH4和 O2分2路进入反应室,在紫外光垂直照射下,反应方 程式如下 3O2 2O · 3 (< 195 nm ) O· 3O· + O2 (200～ 300 nm ) 总反应式为 SiH4+ 2O2+SiO2+ 气体副产物(通N 2 排 出)
氧化膜的颜色随其厚度的增加而呈现周期性的变化。 对应同一颜色，可能有几种厚度，所以这个方法的误差较
大。不过，可将生长了二氧化硅的硅片在氢氟酸中进行腐
蚀，观察其颜色变化，确定其厚度。 当厚度超度7500埃的时候，颜色的变化就不明显了。因此， 此法只适用于氧化膜厚度在一微米以下的情况。
4.2干涉法
• 介电强度：用作绝缘介质时，常用介电强度，即用击穿电压来表示SiO2薄膜 耐压能力。其数值大小与致密程度、均匀性、杂质含量等有关，一般在106－ 107V/cm； • 介电常数：表征电容性能的参数，MOS电容器 • 化学性质：SiO2的化学性质稳定，常温下只和HF反应。SiO2与强碱溶液也发 生极慢的化学反应，生成硅酸盐。
4.5氧化膜的缺陷的类型和检测
1.氧化膜缺陷类型
(1)宏观缺陷 宏观缺陷又称表面缺陷，主要包括：氧化层厚度 不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等。 (2)微观缺陷 氧化膜的微观缺陷是指钠离子沾污和热氧化层错。
4.5氧化膜的缺陷的类型和检测 2.氧化膜缺陷的检测
(1)表面观察法 二氧化硅表面存在的斑点、裂纹、 白雾和针孔等缺陷，以及膜厚的不均匀性，可以 用肉眼或显微镜进行目检或镜检来鉴别。 (2)氯气腐蚀法 二氧化硅表面存在的针孔、裂纹等 不连续缺陷，可用氯气腐蚀法检测。
目前最常用的方法就是干涉法，其设备 简单，测量方便，也比较准确。 在已经氧化过得硅片表面，用蜡保护 一定的区域，然后放入氢氟酸中，将未保 护的氧化膜腐蚀掉，最后用有机溶液将蜡 除净，这是就出现了二氧化硅斜坡。 当已知波长的单色光束垂直照射在斜 坡上面，如图所示，由于二氧化硅膜是透 明的，所以入射光束将分别在二氧化硅表 面和二氧化硅-硅界面处反射，这两部分的 反射光将产生干涉，在显微镜下可以看到 明暗相间的干涉条纹，并根据此公式得出 二氧化硅膜的厚度：
4.二氧化硅膜的质量检测
膜的质量主要体现在膜的表面没有斑点、裂 痕、白雾发花和针孔等缺陷。厚度达到规定指标 且保持均匀。对膜中可动杂质离子，特别是钠离 子的含量也必须是有明确的要求。检测方法主要 有: • 1、比色法 • 2、干涉法 • 3.椭圆偏振光法
4.1比色法
直接观察硅片氧化膜颜色，可以比较方便的估 计出氧化膜的厚度。由于光干涉作用，不同厚度 的二氧化硅膜表现出不同的颜色。
5.硅工艺发展历程
第一个DRAM上市年份 最小特征尺寸（nm） DRAM位/芯片 最小电源电压（V）
1997 250
1999 180
2003 130
2006 100
2009 70
2012 50
等效的栅氧化层厚度 Tox(nm) 厚度控制3σ （％） 等效的最大电场强度 （MV cm-1）
256M 1.82.5 4-5
2.集成电路中二氧化硅的主要作用：
• 扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4一起 使用)阻挡层 • 作为集成电路的隔离介质材料 • 作为电容器的绝缘介质材料 • 作为多层金属互连层之间的介质材料 • 作为对器件表面和电路进行保护或钝化的钝化层材料 • 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质
3.3热氧化法
三种氧化方法的比较 速度 均匀重复性 结构 掩蔽性 水温 干氧： 慢 好 致密 好 湿氧： 快 较好 中 基本满足 95℃ 水汽：最快 差 疏松 较差 102℃
3.3热氧化法
干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧 烷结构。所以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。 • 水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化 的好，特别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水， 极性的水不易粘润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻 胶粘附性差。 • 生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧 化SiO2干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时间 内使SiO2层的厚度，质量合乎要求。
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3.2物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜 和溅射镀膜三大类。其中真空蒸发镀膜技术出现 较早,但此法沉积的膜与基体的结合力不强。在 1963年,美国Sandia公司的D.M.Mattox首先提出 离子镀(IonPlating)技术,1965年,美国IBM公司研 制出射频溅射法,从而构成了PVD技术的三大系 列——蒸发镀,溅射镀和离子镀。
3.3热氧化法
热氧化工艺是在高温(900～ 1200 ℃) 使硅片 表面氧化形成SiO2 膜的方法, 包括干氧氧化、湿 氧氧化以及水汽氧化。 其中还有一种制备超薄SiO2薄膜的新方法— —快速热工艺氧化法,这种方法采用快速热工艺系 统, 精确地控制高温短时间的氧化过程, 获得了性 能优良的超薄SiO2薄膜。
4.3椭圆偏振光法
对于一定厚度的某种膜，启动起偏器，总可以找到 一个方位角，使反射光变成线性偏振光。这是转动检偏 器，当检偏器的方位角与反射线偏振光相互垂直的时， 光束不能通过，出现消光现象。消光时，
这时的d和n也是P和A的函数，可以由已知的（P,A）（d，n）关系图，根据已知的P、A求出d和n。
1.2二氧化硅的主要性质
• 密度：密度是SiO2致密程度的标志，密度以称重法测量，无定形SiO2密度一 般2.20g/cm3； • 折射率：表征光学性质的参数，不同方法制备的SiO2折射率不同，但差异不 大，一般致密则折射率大，当波长5500Å 单色光入射时，SiO2的折射率为 1.46；
• 电阻率： SiO2是良好的绝缘体，其禁带宽度9ev。电阻率与制备方法及所含 杂质等有关，干氧氧化的SiO2电阻率可达到1016Ω.cm；
3.4 溶胶凝胶法
溶胶凝胶法是一种低温合成材料的方法, 是材料研究领域的热点。 早在19 世纪中期, Ebelman 和Graham 就发现了硅酸乙酯在酸性条件 下水解可以得到“玻璃状透明的”SiO 2 材料, 并且从此在黏性的凝胶 中可制备出纤维及光学透镜片。这种方法的制作费用低、镀膜简单、 便于大面积采用、且光学性能好,适用于立体器件。 过去10 年中, 人们在此方面已取得了较大进展。通常, 多孔SiO 2 薄膜的特性依赖溶胶凝胶的制备条件、控制实验条件(如溶胶组分、 pH 值、老化温度及时间、回流等) , 可获得折射率在1. 009～ 1. 440、 连续可调、结构可控的SiO 2 纳米网络。但是SiO 2 减反射膜(即增透 膜) 往往不具有疏水的性能, 受空气中潮气的影响, 使用寿命较短。经 过改进, 以正硅酸乙酯(TEO S) 和二甲基二乙氧基硅烷(DDS) 2 种常见 的物质为原料, 通过二者的共水解2缩聚反应向SiO2 网络中引入疏水 的有机基团——CH3, 由此增加膜层的疏水性能。同时, 通过对体系溶 胶2凝胶过程的有效控制, 使膜层同时具有良好的增透性能及韧性。此 外, 在制备多孔SiO 2 膜时添加聚乙二醇(PEG) 可加强溶胶颗粒之间的 交联, 改善SiO 2 膜层的机械强度, 有利于提高抗激光损伤强度。
3.1.1等离子体增强化学气相沉积法
利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产 生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得 能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方 法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的 700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积 速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空 度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬 度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重 ,并存在空洞等。
2n N：为干涉条纹，
X0 N
( X 0 : 为膜厚度，
：为入射单色光的波长 ，
n：为入射光的折射率 )
4.3椭圆偏振光法
此法是由激光器发出一定波长的激光束，经起偏器变成线 性偏振光，并确定偏振方向，再经过1/4波长片，由于双折射现象， 使其产生为相位相差90°的两部分光，它们的偏振方向相互垂直， 所以变成椭圆偏振光。
3.二氧化硅薄膜的制备
针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜 的制备方法得到了发展与应用,主要有：化 学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法， 溶胶凝胶法和液相沉积法等
3.1化学气相沉积(CVD)
化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内， 将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片 表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以 又称CVD。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉 积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学 气相沉积等。 各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的 设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺 点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。