二氧化硅薄膜的制备及检测-第二题ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,二氧化硅的结构及性质,二氧化硅,在集成电路中,的主要作用,二氧化硅薄膜的制备及工艺参数,二氧化硅薄膜的检测,硅工艺发展历程,1,SiO,2,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。,1.2二氧化硅的主要性质,密度,：密度是SiO,2,致密程度的标志，密度以称重法测量，无定形SiO,2,密度一般2.20g/cm,3,；,折射率,：表征光学性质的参数，不同方法制备的SiO,2,折射率不同，但差异不大，一般致密则折射率大，当波长5500,单色光入射时，SiO,2,的折射率为1.46；,电阻率,：SiO,2,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SiO,2,电阻率可达到10,16,.cm；,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SiO,2,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10,6,10,7,V/cm；,介电常数,：表征电容性能的参数，MOS电容器,化学性质,：SiO,2,的化学性质稳定，常温下只和HF反应。SiO,2,与强碱溶液也发生极慢的化学反应，生成硅酸盐。,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、Si,3,N,4,一起使用)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,3.二氧化硅薄膜的制备,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(,C,VD),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。,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。,3,.1.2光化学气相沉积法,使用紫外汞灯(UV,2,Hg)作为辐射源,利用Hg敏化原理,在SiH,4,+N,2,O混合气体中进行光化学反应。SiH,4,和O,2,分2路进入反应室,在紫外光垂直照射下,反应方程式如下,3O,2,2O 3(195 nm),O 3 O+O,2,(200 300 nm),总反应式为 SiH,4,+2O,2,+,SiO,2,+气体副产物(通N,2,排出),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(9001200)使硅片表面氧化形成SiO,2,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SiO,2,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SiO,2,薄膜。,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,SiO,2,干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时间内使,SiO,2,层的厚度，质量合乎要求。,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SiO,2,网络中引入疏水的有机基团CH,3,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.,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),SiO,2,薄膜是用LPD 法最早制备成功的氧化物薄膜。通常使用H,2,SiF,6,的水溶液为反应液,在溶液中溶入过饱和的SiO,2,(以SiO,2,、硅胶或硅酸的形式),溶液中的反应为:H,2,SiF,6,+2H,2,O SiO,2,+6HF。目前可在相当低的温度(40)成功地在GaAs 基底上生长SiO,2,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。,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,。,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,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：,4.3,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。,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,。,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。,(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。,2.氧化膜缺陷的,检,测,4.5,氧化膜的缺陷的类型和检测,5.硅工艺发展历程,第一个,DRAM,上市年份,1997,1999,2003,2006,2009,2012,最小特征尺寸（,nm,）,250,180,130,100,70,50,DRAM,位,/,芯片,256M,1G,4G,16G,64G,256G,最小电源电压（,V,）,1.8-2.5,1.5-1.8,1.2-1.5,0.9-1.2,0.6-0.9,0.5-0.6,等效的栅氧化层厚度,T,ox,(nm),4-5,3-4,2-3,1.5-2,1.5,5,5,5,栅氧化层漏电流（,DRAM,）（,pA,m,-2,）,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,0.01,隧穿氧化层厚度（,nm,）,8.5,8,7.5,7,6.5,6,最多的布线层数,6,6-7,7,7-8,8-9,9,用于层间绝缘层的介电常数,K,3-4.1,2.5-3,1.5-2,1.5-2,1.5,1.5,