硅微通道列陣氧化形變實驗研究

王宇

摘 要：在高溫氧化工藝中硅片的翹曲和彎曲現象比較嚴重，對后續工藝造成很大困難，使器件成品率和性能受到很大的影響，造成該現象的主要原因是因為在二氧化過程中硅和二氧化硅熱膨脹系數的差異，由于熱膨脹系數隨著溫度而變化導致形變的產生。從晶體本身分析在熱氧化過程中晶體本身產生大量空位在氧化過后溫度極速下降導致空位無法擴散，形成空位團，當聚集到一定地步會造成塌崩，形成嚴重的缺陷導致受到熱應力的不均勻，最后導致形變。通過測量硅微通道板不同位置的擊穿電壓分析導致擊穿電壓不均勻的原因。

關鍵詞：熱氧化；熱膨脹；熱應力；擊穿電壓

引言

硅基集成電路制造技術的基礎之一是在硅片表面來熱生長一層的能力。氧化物掩蔽技術是一種熱生長的氧化層上通過刻印圖形和刻蝕達到對硅襯底進行擴散摻雜的工藝技術，也是上個世紀50年代以來最主要的發展，這是大規模晶體管發展的關鍵因素[1-3]。從這層意義上講，氧化在硅的平面工藝發展中扮演著重要的角色，同時也解釋了氧化直至今日仍能在硅基制造業中得到廣泛應用的原因。

在微細加工技術的迅速發展的推動下，硅微通道結構已經在微通道板器件等方面獲得成功應用，比如具有高深寬比的大面積硅基 X 射線光柵、硅基微通道板、多孔硅傳感器等在醫學成像、天文探測、夜間成像等領域的應用越來越廣泛。借助了最先進的微細加工技術，硅微通道板器件的許多性能，如本底噪聲、分辨率、長徑比、使用壽命和環保特性等都得到了大幅度的改善[4]。文章就對熱氧化變形的問題做具體分析，比如一片5英寸的硅片，由于熱氧化，會造成體積膨脹而產生應力變形，然而把變形的硅片切割為一個個獨立的小面積電子元器件后，相對變形量就基本可以忽略不計了，對器件在后期的實際應用沒有任何的影響。因此微小的硅元器件加工過程中對氧化變形問題的要求不是很嚴格[5]。大面積高深寬比微結構器件對平整度的要求比常規的硅基器件要高出很多，比如硅基 X 射線光柵、硅基微通道板等，在應用過程中往往需要與其它器件做耦合，因而，氧化變形問題就不可忽略[6-7]。影響形變的因素有很多器件面積，深寬比，表面粗糙度，厚度等。文章以此為題研究在高溫氧化過程中各參數項對形變的影響。

1 實驗過程

樣品經過拋光清洗之后，放在石英舟上送入氧化爐內，氧氣瓶中干燥氧氣通過85℃的水浴鍋后在通入氧化爐，氧氣的流量為1000sccm，升高氧化爐溫度到1100℃進行濕氧氧化。圖 1為高溫氧化裝片示意圖。

得到的。其中w是彎曲度，h是翹曲兩邊的平行高度，L是翹曲兩邊之間的長度。

其中擊穿電壓的測量所用測量儀器是GPI-735A參數測試儀，測量時保證周圍環境的絕緣，在硅微通道板氧化過后在其放置于導電橡膠中間，從底部引出導線，導線與原型石墨橡膠塾接觸。實驗進行多點測量得到中心位置和邊緣位置的擊穿電壓。

2 實驗結果分析與討論

2.1 氧化參數與形變量的關系

2.1.1 溫度硅微通道板高溫氧化形變的影響

表中數據是不同溫度情況下氧化前后翹曲度的實驗結果，實驗數據是由多組數據求品均值。

硅氧化成二氧化硅體積增加到原來的2.16倍，由于體積的膨脹所產生的膨脹壓力大于硅微通道板的抗束縛能力，硅微通道板在氧化后彎曲主要原因是由于硅和二氧化硅熱膨脹系數的強烈差異，根據實驗結果可以看出在相同規格下，翹曲度隨著氧化溫度的升高而增加，因為熱膨脹系數隨溫度升高而升高，從中我們可以看出在低溫下能較少硅微通道的翹曲形變。

2.1.2 硅微通道板基底對型變的影響

晶體中的應力和應變可以由很多因素影響晶體中的應變場可以從點陣間距離變化或在熱失配引起的情況下觀察樣品改變其彎曲方向所需的溫度，從而將應力計算出來，對于熱氧化生長氧化膜的晶體，一般可以利用測量機械形變的方法將應力計算出來，如果晶片的彎曲不大襯底沒有發生塑性形變，且沒有相對滑動，并假設兩種材料的彈性是各向同性的，那么晶片的彎曲情況要滿足下式

式中Wg為襯底厚度；Wf為薄膜厚度，Wf遠小于Ws，d遠小于Ws，Tf為薄膜應力，E和ν分別為襯底的楊氏模量和泊松比；r為撤點離開晶片中心的距離。由公式可以看出當溫度確定熱膨脹系數相對穩定，薄膜中的應力也相對穩定所以如果襯底厚度增加會減少晶片的彎曲。

從表格中我們可以看出在相同的條件下，氧化后給微通道板的翹曲度隨著樣品厚度的增加而減少，與我們之前的推算基本一致，從中可以看出在實驗允許的程度下硅微通道板越厚，熱氧化過后樣品的形變量越小。

2.1.3 退火方式對氧化后硅微通道板翹曲率影響

晶體中的應力應變可以有多種原因造成，其中過量空位就是其中的原因之一，空位在晶體里是最簡單的點缺陷，對于硅來說在接近熔點時可以有約1018/cm3空位，而在室溫時就少很多。硅在高溫氧化過后冷卻非常快，在高溫下形成的大量空位無法以擴散的形式擴散到表面，就被“困”在體內，許多的空位可聚集層團，當它最后塌崩是，可形成錯位圈，導致形變。

從實驗結果中可以看出高溫氧化過后不同退火與不退進行比較，可以得出退后可以減少熱氧化后的翹曲率，但是自然退火和通入高純氧氣對氧化后翹曲率的影響不大。

綜上各實驗數據可以得出減少熱氧化后高溫形變的氧化方法是在樣品要求的規格范圍內盡量使用低溫氧化，硅微通道板采用厚板，且在氧化過后進行退火可以有效的減少高溫氧化過后給微通道板的形變。

2.2 高溫氧化后擊穿電壓分析

表4為經過拋光-去蠟清洗-標準清洗-濕氧氧化八小時后硅微通道板擊穿電壓實驗結果從中我們可以從中看出大部分的實驗結果都是中心擊穿打壓大于邊緣擊穿電壓，原因是因為在二氧化過程中熱應力滑移錯位是器件，一般來說，熱應力在晶片的邊緣比較大，另外硅片與石英舟的裝卡接觸應力也主要發生在硅片的邊緣。因此晶體邊緣的熱應力滑移位錯比較嚴重，由此導致在邊緣區域的器件電學性能差。

3 結束語

文章給出了不同氧化條件下對硅微通道板形變的研究，通過改變氧化溫度，硅微通道板厚度，以及氧化后的退火條件進行分析，記錄氧化后翹曲度的變化。

通過大量實驗數據表明溫度在1000℃時氧化后翹曲率最小僅為0.41，厚度為340μm的樣品曲率小于厚度為270μm樣品的翹曲率，同樣通過實驗大量實驗結果得出在氧化后對樣品進行緩慢降溫可以明顯起到減少形變的作用。文章還對氧化后硅微通道板擊穿電壓進行測試得出在中心區域的擊穿電壓大于邊緣區域，因為在硅微通道板邊緣區域上的缺陷更多，更容易被擊穿。

參考文獻

[1]A.S.Grove，Physcic and Technology of Semiconductor Devices，Wiley，

NewYork，1967.

[2]H.Z.Massoud，et al.，J.Electrochem.Soc.col. 1985，132：2685.

[3]B.E.Deal，J.Electrochem.Soc.vol. 1978：125，576.

[4]W.R.Runyah and K.E.Bean Semiconductor Integrated Circuit Processing Technology. 1990：577.

[5]李默.硅微通道結構對SiO2薄膜熱應力的影響[D].長春理工大學.

[6]謝書銀，石志儀，陳中祥.高溫工藝中硅片的翹曲[J].半導體技術，1997.

[7]羅建東，周彬，呂文峰，等.大面積高深寬比微結構硅片的熱氧化實驗研究[J].光電工 程，2012，39（8）：105-110.