二氧化硅膜厚標準樣片的研制與評價?

趙 琳 梁法國 韓志國 李鎖印 付少輝

（中國電子科技集團公司第十三研究所 石家莊 050051）

1 引言

隨著納米科技與超精密加工技術的快速發展，相關器件和結構的尺寸越來越小，測量精度的要求也越來越高［1］，從而對微納米尺寸測量提出了更高的要求。薄膜厚度是半導體器件制作中的主要參數，膜厚測量儀、橢偏儀等是測量薄膜厚度的專用儀器，其準確度的保證是該參數準確測量的前提［2］。目前，國內外都使用膜厚標準樣片對膜厚測量儀等進行校準［3～4］。膜厚標準樣片是具有膜厚量值的標準物質，是實現微納尺寸從國家計量標準部門的標準器件傳遞到實際生產、制造中的重要傳遞介質［2］。

微電子行業中可以用于制作薄膜的材料種類很多，而使用膜厚測量儀測量不同材料的厚度時需選定不同測量模型進行膜厚量值的準確測量。因此為了保證該類儀器測量結果的準確性，需要研制適用于校準該類儀器的膜厚標準樣片。當前半導體器件制作過程中二氧化硅（SiO2）薄膜的應用最為廣泛。目前，國內方面，在該類樣片的研制方面未見報導，只有西安應用光學研究所提供用于校準膜厚測量儀的SiO2/Si膜厚標準樣片［5］，但是樣片屬于外購，并且樣片的范圍不能滿足微電子行業的需求。標準樣片的質量直接影響量值傳遞過程的準確性，本文研制了膜厚量值為10nm～1000nm一系列的樣片，以10nm、1000nm為例，對膜厚樣片的量值、均勻性、穩定性等質量參數進行了評價，并與VLSI膜厚標準樣片進行了比較。

2 二氧化硅膜厚樣片的研制方法

微電子行業中制作二氧化硅膜的方法有很多，如熱氧化、電化學、磁控濺射和等離子化學氣相淀積法（PECVD）等［6］。在這些方法中，使用最為廣泛的方法是熱氧化和等離子化學氣相淀積。熱氧化法是硅器件制造中最重要的方法，是現代硅集成電路工藝中的關鍵工藝，可以提供最低界面陷阱密度的高質量氧化層。而PECVD的特點是：1）沉積溫度低，對多晶硅中少子壽命影響小，并且生產時能耗低；2）沉積速率較快，生產效率高；3）工藝重復性好，薄膜厚度均勻；4）薄膜缺陷密度較低。考慮到標準樣片對膜層的均勻性、致密性及穩定性要求較高，本文選擇熱氧化和PECVD兩種方法分別生長二氧化硅薄膜，對制作的二氧化硅薄膜分別進行考核，最終確定更為合適的研制方法。

2.1 熱氧化工藝制備二氧化硅膜

熱氧化法包括干氧、水氧和濕氧三種方法［7］，其中干氧氧化是通過氧分子與硅直接反應生成二氧化硅，干氧生長的氧化膜表面干燥、結構致密，但氧化速率極慢，這是由于氧氣在二氧化硅中擴散系數通常小于水在二氧化硅中的擴散系數，適用于較薄的氧化層的生長。而水汽氧化是通過高溫下水汽與硅反應生成二氧化硅，對高純水加熱產生高純水蒸氣，水汽進入氧化爐與硅片反應生成二氧化硅膜。水汽氧化速率較快，但膜層不致密，質量很差，特別是對雜質擴散的掩蔽作用較差。濕氧氧化中既有干氧氧化，又有水汽氧化。濕氧氧化中，用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧。氧化劑是氧氣和水的混合物，濕氧氧化相當于干氧氧化和水汽氧化的綜合，其速率也介于兩者之間。具體的氧化速率取決于氧氣的流量、水汽的含量。氧氣流量越大，水溫越高，則水汽含量越大，氧化膜的生長速率和質量越接近于水汽氧化的情況。反之，就越接近于干氧氧化。

表1給出了以上三種熱氧化方法的比較。

表1 三種熱氧化方法比較

比較以上三種熱氧化方法可知水汽氧化制作的二氧化硅膜的質量很差，干氧氧化制作的膜的質量最好，而研制的標準樣片質量是第一位的，因此采用干氧氧化法制作二氧化硅膜厚樣片。

2.2 等離子化學氣相淀積法（PECVD）制備二氧化硅膜

等離子化學氣相淀積法（PECVD）制備二氧化硅膜的技術是利用SiH4和N2O在較低溫度環境下實現SiO2薄膜的沉積［8～9］，具體的化學反應如下：

這種方法的特點是可以在非硅材料上沉積二氧化硅膜，并且可以沉積較厚的二氧化硅層，沉積的厚度與沉積時間成正比，沉積溫度較低，且生長速率快，可準確控制沉積速率，生成的薄膜結構致密，對于不宜作高溫處理而又需要在表面生長二氧化硅的器件也適用［10］。缺點是真空度低，從而使薄膜中的雜質含量較高，薄膜硬度低，沉積速率過快而導致薄膜內柱狀晶嚴重，并存在空洞等。

3 二氧化硅膜厚樣片的制備

3.1 膜厚標準樣片的圖形設計

本文結合當前微電子行業對硅上二氧化硅膜厚樣片的需求設計了適用于校準膜厚測量儀的樣片。硅上二氧化硅膜厚樣片的尺寸擬設計為10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm。并對膜厚樣片進行了圖形設計：由于制作的膜厚樣片區域較大，為了保證使用膜厚標準樣片校準膜厚測量儀結果的準確，樣片定標時應規定好定標區域。因此，在研制的膜厚樣片上設計了特殊圖形，標記出膜厚標準樣片的定標位置，如圖1所示，其中定標有效區域的直徑為20mm。

圖1 膜厚樣片的定標區域圖形

3.2 膜厚標準樣片的制作

決定膜厚標準樣片質量的關鍵在于二氧化硅膜層的制作工藝，本文中分別選用熱氧化和PECVD兩種工藝制作了二氧化硅薄膜，制作工藝流程圖如圖2所示。

圖2 二氧化硅膜厚標準樣片的制作工藝流程

使用熱氧化工藝制備二氧化硅薄膜時，首先采用電子清洗劑和去離子水分別對硅片進行清洗，甩干后進行熱氧化，熱氧化過程是在氧化爐中進行的，設定氧化溫度，通入氧化氣體，并依據氧化硅的厚度設定氧化時間，氧化完成后取出樣片進行涂膠、曝光、顯影、刻蝕、去膠一系列的工藝后得到一個與設計圖形相一致的二氧化硅膜厚樣片。而使用PECVD工藝制備二氧化硅薄膜的過程中，淀積過程發生在淀積爐中，通入SiH4和N2O氣體，優化氣體流量，設定反應環境條件，制備出相應厚度的二氧化硅層，最后進行光刻和刻蝕工藝。圖3中給出了制作的二氧化硅膜厚樣片的實物圖。

圖3 分別使用兩種工藝制作的尺寸為10nm和1000nm的二氧化硅膜厚樣片實物圖

4 二氧化硅膜厚樣片的質量考核

通過查閱文獻及對膜厚類測量儀器的研究，了解到膜厚標準樣片作為一種標準物質，其考核的基本要求：1）制作的樣片的膜層厚度與設計的標稱厚度一致，偏差盡量小；2）樣片的區域均勻性好，在膜厚樣片的測量區域內，不同位置測得的膜層厚度一致性好；3）穩定性好，在長期使用中樣片的膜層厚度值保持不變［11］。

使用Woollam公司型號為M2000-XF的橢偏儀作為膜厚標準樣片膜厚量值及質量考核的測量儀器［12～14］。以標稱厚度10nm和1000nm的膜厚樣片為例分別對兩種加工工藝制作的膜厚樣片的質量參數進行考核，考核參數為膜厚量值、均勻性和穩定性［15］。同時，使用相同儀器、相同測量方法對美國VLSI公司的相同標稱高度的膜厚標準樣片的膜厚量值和均勻性進行評價，考核結果與本文制作樣片的考核結果相比較。

4.1 膜厚量值

對研制的標稱厚度為10nm和1000nm的膜厚標準樣片中心區域進行測量，重復測量6次，以6次測量結果的平均值作為該樣片的膜厚量值，以標準偏差計算該樣片的測量重復性。測量結果如表2所示。

表2 膜厚樣片量值、重復性測量結果

由表2中數據可知，使用熱氧化工藝加工的膜厚樣片的測量結果分別為10.63nm和1005.13nm，使用PECVD工藝制作的膜厚樣片的測量結果分別為10.56nm和994.76nm，兩種工藝制作的膜厚樣片的膜厚量值與設計的膜厚量值基本一致。

4.2 膜厚樣片的均勻性

對研制的膜厚標準樣片中心區域的五個位置進行測量（如圖4所示），以五個位置測量結果的最大差值作為該樣片的均勻性結果。VLSI標準樣片同樣按照相同測量方法、測量位置對樣片的均勻性進行分析，測量結果如表3所示。

圖4 膜厚樣片考核參數的位置示意圖

由表3中數據可知，熱氧化工藝制作的膜厚樣片的均勻性分別為0.06nm和0.31nm，PECVD工藝制作的膜厚樣片的均勻性分別為0.53nm和1.34nm，而VLSI公司生產的相同尺寸的樣片的均勻性為0.20nm和0.38nm。分析以上數據熱氧化工藝制作的膜厚樣片的均勻性優于PECVD工藝制作的樣片的均勻性，并與VLSI生產的膜厚樣片的均勻性基本一致。

表3 膜厚樣片的均勻性測量結果

4.3 膜厚樣片的穩定性

膜厚標準樣片的穩定性是通過使用光譜型橢偏儀對膜厚樣片中心區域的5個位置每隔1個月測量一次，5個位置測量結果的平均值作為一次穩定性測量數據，通過分析平均值的變化來確定膜厚標準樣片的穩定性。對熱氧化工藝和PECVD工藝研制的樣片穩定性進行考核，每個月測量一次，共監測12個月，10nm和1000nm樣片的測量結果分別如圖5、圖6所示。

圖5 10nm膜厚樣片的穩定性測量結果

圖6 1000nm膜厚樣片的穩定性測量結果

由圖中曲線可知，采用熱氧化工藝制作的膜厚樣片在12個月內穩定性的最大變化量：10nm的穩定性變化量為0.14nm，1000nm的穩定性變化量為0.8nm；采用PECVD工藝制作的膜厚樣片：10nm的穩定性變化量為0.60nm，1000nm的穩定性變化量為1.6nm；熱氧化工藝制作的膜厚樣片的性能在12個月內沒有顯著變化，膜厚樣片的量值穩定，優于PECVD工藝制作的樣片的穩定性。

5 結語

本文設計制作了用于膜厚測量儀校準的膜厚標準樣片。介紹了二氧化硅膜厚樣片的主要加工工藝，并設計了樣片的圖形結構及其制作過程，分析了作為標準物質的基本要求，使用Woollam公司的橢偏儀對樣片的膜厚量值、均勻性、穩定性進行了考核，并使用相同儀器、相同方法對美國VLSI公司的相同標稱尺寸的膜厚樣片的均勻性進行測量。實驗結果表明，使用熱氧化工藝和PECVD工藝制備的膜厚樣片量值與設計值均基本一致，但是熱氧化工藝制備的樣片的均勻性與美國VLSI公司的片測量結果一致，穩定性較好，優于PECVD工藝制備的膜厚樣片。本文使用熱氧化工藝制備的二氧化硅膜厚樣片滿足了作為標準物質的基本要求，可以作為標準物質使用和推廣。