趙 琳 梁法國(guó) 韓志國(guó) 李鎖印 付少輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)器件和結(jié)構(gòu)的尺寸越來(lái)越小，測(cè)量精度的要求也越來(lái)越高［1］，從而對(duì)微納米尺寸測(cè)量提出了更高的要求。薄膜厚度是半導(dǎo)體器件制作中的主要參數(shù)，膜厚測(cè)量?jī)x、橢偏儀等是測(cè)量薄膜厚度的專用儀器，其準(zhǔn)確度的保證是該參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量的前提［2］。目前，國(guó)內(nèi)外都使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)膜厚測(cè)量?jī)x等進(jìn)行校準(zhǔn)［3～4］。膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片是具有膜厚量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)微納尺寸從國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)器件傳遞到實(shí)際生產(chǎn)、制造中的重要傳遞介質(zhì)［2］。

微電子行業(yè)中可以用于制作薄膜的材料種類很多，而使用膜厚測(cè)量?jī)x測(cè)量不同材料的厚度時(shí)需選定不同測(cè)量模型進(jìn)行膜厚量值的準(zhǔn)確測(cè)量。因此為了保證該類儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要研制適用于校準(zhǔn)該類儀器的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片。當(dāng)前半導(dǎo)體器件制作過(guò)程中二氧化硅（SiO2）薄膜的應(yīng)用最為廣泛。目前，國(guó)內(nèi)方面，在該類樣片的研制方面未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，只有西安應(yīng)用光學(xué)研究所提供用于校準(zhǔn)膜厚測(cè)量?jī)x的SiO2/Si膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片［5］，但是樣片屬于外購(gòu)，并且樣片的范圍不能滿足微電子行業(yè)的需求。標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量直接影響量值傳遞過(guò)程的準(zhǔn)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(duì)膜厚樣片的量值、均勻性、穩(wěn)定性等質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與VLSI膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行了比較。

2 二氧化硅膜厚樣片的研制方法

微電子行業(yè)中制作二氧化硅膜的方法有很多，如熱氧化、電化學(xué)、磁控濺射和等離子化學(xué)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(xué)氣相淀積。熱氧化法是硅器件制造中最重要的方法，是現(xiàn)代硅集成電路工藝中的關(guān)鍵工藝，可以提供最低界面陷阱密度的高質(zhì)量氧化層。而PECVD的特點(diǎn)是：1）沉積溫度低，對(duì)多晶硅中少子壽命影響小，并且生產(chǎn)時(shí)能耗低；2）沉積速率較快，生產(chǎn)效率高；3）工藝重復(fù)性好，薄膜厚度均勻；4）薄膜缺陷密度較低?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)樣片對(duì)膜層的均勻性、致密性及穩(wěn)定性要求較高，本文選擇熱氧化和PECVD兩種方法分別生長(zhǎng)二氧化硅薄膜，對(duì)制作的二氧化硅薄膜分別進(jìn)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(guò)氧分子與硅直接反應(yīng)生成二氧化硅，干氧生長(zhǎng)的氧化膜表面干燥、結(jié)構(gòu)致密，但氧化速率極慢，這是由于氧氣在二氧化硅中擴(kuò)散系數(shù)通常小于水在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)，適用于較薄的氧化層的生長(zhǎng)。而水汽氧化是通過(guò)高溫下水汽與硅反應(yīng)生成二氧化硅，對(duì)高純水加熱產(chǎn)生高純水蒸氣，水汽進(jìn)入氧化爐與硅片反應(yīng)生成二氧化硅膜。水汽氧化速率較快，但膜層不致密，質(zhì)量很差，特別是對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)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(dāng)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(zhǎng)速率和質(zhì)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(zhì)量很差，干氧氧化制作的膜的質(zhì)量最好，而研制的標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)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(xué)氣相淀積法（PECVD）制備二氧化硅膜

等離子化學(xué)氣相淀積法（PECVD）制備二氧化硅膜的技術(shù)是利用SiH4和N2O在較低溫度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)SiO2薄膜的沉積［8～9］，具體的化學(xué)反應(yīng)如下：

這種方法的特點(diǎn)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(shí)間成正比，沉積溫度較低，且生長(zhǎng)速率快，可準(zhǔn)確控制沉積速率，生成的薄膜結(jié)構(gòu)致密，對(duì)于不宜作高溫處理而又需要在表面生長(zhǎng)二氧化硅的器件也適用［10］。缺點(diǎn)是真空度低，從而使薄膜中的雜質(zhì)含量較高，薄膜硬度低，沉積速率過(guò)快而導(dǎo)致薄膜內(nèi)柱狀晶嚴(yán)重，并存在空洞等。

3 二氧化硅膜厚樣片的制備

3.1 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的圖形設(shè)計(jì)

本文結(jié)合當(dāng)前微電子行業(yè)對(duì)硅上二氧化硅膜厚樣片的需求設(shè)計(jì)了適用于校準(zhǔn)膜厚測(cè)量?jī)x的樣片。硅上二氧化硅膜厚樣片的尺寸擬設(shè)計(jì)為10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm。并對(duì)膜厚樣片進(jìn)行了圖形設(shè)計(jì)：由于制作的膜厚樣片區(qū)域較大，為了保證使用膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)膜厚測(cè)量?jī)x結(jié)果的準(zhǔn)確，樣片定標(biāo)時(shí)應(yīng)規(guī)定好定標(biāo)區(qū)域。因此，在研制的膜厚樣片上設(shè)計(jì)了特殊圖形，標(biāo)記出膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的定標(biāo)位置，如圖1所示，其中定標(biāo)有效區(qū)域的直徑為20mm。

圖1 膜厚樣片的定標(biāo)區(qū)域圖形

3.2 膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作

決定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，首先采用電子清洗劑和去離子水分別對(duì)硅片進(jìn)行清洗，甩干后進(jìn)行熱氧化，熱氧化過(guò)程是在氧化爐中進(jìn)行的，設(shè)定氧化溫度，通入氧化氣體，并依據(jù)氧化硅的厚度設(shè)定氧化時(shí)間，氧化完成后取出樣片進(jìn)行涂膠、曝光、顯影、刻蝕、去膠一系列的工藝后得到一個(gè)與設(shè)計(jì)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(guò)程中，淀積過(guò)程發(fā)生在淀積爐中，通入SiH4和N2O氣體，優(yōu)化氣體流量，設(shè)定反應(yīng)環(huán)境條件，制備出相應(yīng)厚度的二氧化硅層，最后進(jìn)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(shí)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(shí)物圖

4 二氧化硅膜厚樣片的質(zhì)量考核

通過(guò)查閱文獻(xiàn)及對(duì)膜厚類測(cè)量?jī)x器的研究，了解到膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片作為一種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其考核的基本要求：1）制作的樣片的膜層厚度與設(shè)計(jì)的標(biāo)稱厚度一致，偏差盡量??；2）樣片的區(qū)域均勻性好，在膜厚樣片的測(cè)量區(qū)域內(nèi)，不同位置測(cè)得的膜層厚度一致性好；3）穩(wěn)定性好，在長(zhǎng)期使用中樣片的膜層厚度值保持不變［11］。

使用Woollam公司型號(hào)為M2000-XF的橢偏儀作為膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片膜厚量值及質(zhì)量考核的測(cè)量?jī)x器［12～14］。以標(biāo)稱厚度10nm和1000nm的膜厚樣片為例分別對(duì)兩種加工工藝制作的膜厚樣片的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行考核，考核參數(shù)為膜厚量值、均勻性和穩(wěn)定性［15］。同時(shí)，使用相同儀器、相同測(cè)量方法對(duì)美國(guó)VLSI公司的相同標(biāo)稱高度的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的膜厚量值和均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，考核結(jié)果與本文制作樣片的考核結(jié)果相比較。

4.1 膜厚量值

對(duì)研制的標(biāo)稱厚度為10nm和1000nm的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片中心區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)測(cè)量6次，以6次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該樣片的膜厚量值，以標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算該樣片的測(cè)量重復(fù)性。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 膜厚樣片量值、重復(fù)性測(cè)量結(jié)果

由表2中數(shù)據(jù)可知，使用熱氧化工藝加工的膜厚樣片的測(cè)量結(jié)果分別為10.63nm和1005.13nm，使用PECVD工藝制作的膜厚樣片的測(cè)量結(jié)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(shè)計(jì)的膜厚量值基本一致。

4.2 膜厚樣片的均勻性

對(duì)研制的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片中心區(qū)域的五個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量（如圖4所示），以五個(gè)位置測(cè)量結(jié)果的最大差值作為該樣片的均勻性結(jié)果。VLSI標(biāo)準(zhǔn)樣片同樣按照相同測(cè)量方法、測(cè)量位置對(duì)樣片的均勻性進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖4 膜厚樣片考核參數(shù)的位置示意圖

由表3中數(shù)據(jù)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(chǎn)的相同尺寸的樣片的均勻性為0.20nm和0.38nm。分析以上數(shù)據(jù)熱氧化工藝制作的膜厚樣片的均勻性優(yōu)于PECVD工藝制作的樣片的均勻性，并與VLSI生產(chǎn)的膜厚樣片的均勻性基本一致。

表3 膜厚樣片的均勻性測(cè)量結(jié)果

4.3 膜厚樣片的穩(wěn)定性

膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的穩(wěn)定性是通過(guò)使用光譜型橢偏儀對(duì)膜厚樣片中心區(qū)域的5個(gè)位置每隔1個(gè)月測(cè)量一次，5個(gè)位置測(cè)量結(jié)果的平均值作為一次穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析平均值的變化來(lái)確定膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片的穩(wěn)定性。對(duì)熱氧化工藝和PECVD工藝研制的樣片穩(wěn)定性進(jìn)行考核，每個(gè)月測(cè)量一次，共監(jiān)測(cè)12個(gè)月，10nm和1000nm樣片的測(cè)量結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 10nm膜厚樣片的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果

圖6 1000nm膜厚樣片的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)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(gè)月內(nèi)穩(wěn)定性的最大變化量：10nm的穩(wěn)定性變化量為0.14nm，1000nm的穩(wěn)定性變化量為0.8nm；采用PECVD工藝制作的膜厚樣片：10nm的穩(wěn)定性變化量為0.60nm，1000nm的穩(wěn)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(gè)月內(nèi)沒(méi)有顯著變化，膜厚樣片的量值穩(wěn)定，優(yōu)于PECVD工藝制作的樣片的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作了用于膜厚測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)的膜厚標(biāo)準(zhǔn)樣片。介紹了二氧化硅膜厚樣片的主要加工工藝，并設(shè)計(jì)了樣片的圖形結(jié)構(gòu)及其制作過(guò)程，分析了作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，使用Woollam公司的橢偏儀對(duì)樣片的膜厚量值、均勻性、穩(wěn)定性進(jìn)行了考核，并使用相同儀器、相同方法對(duì)美國(guó)VLSI公司的相同標(biāo)稱尺寸的膜厚樣片的均勻性進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)計(jì)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(guó)VLSI公司的片測(cè)量結(jié)果一致，穩(wěn)定性較好，優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的基本要求，可以作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用和推廣。