硅微通道列陣氧化形變實(shí)驗(yàn)研究

王宇

摘 要：在高溫氧化工藝中硅片的翹曲和彎曲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，對(duì)后續(xù)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(xiàn)象的主要原因是因?yàn)樵诙趸^(guò)程中硅和二氧化硅熱膨脹系數(shù)的差異，由于熱膨脹系數(shù)隨著溫度而變化導(dǎo)致形變的產(chǎn)生。從晶體本身分析在熱氧化過(guò)程中晶體本身產(chǎn)生大量空位在氧化過(guò)后溫度極速下降導(dǎo)致空位無(wú)法擴(kuò)散，形成空位團(tuán)，當(dāng)聚集到一定地步會(huì)造成塌崩，形成嚴(yán)重的缺陷導(dǎo)致受到熱應(yīng)力的不均勻，最后導(dǎo)致形變。通過(guò)測(cè)量硅微通道板不同位置的擊穿電壓分析導(dǎo)致?lián)舸╇妷翰痪鶆虻脑颉?/p>

關(guān)鍵詞：熱氧化；熱膨脹；熱應(yīng)力；擊穿電壓

引言

硅基集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)之一是在硅片表面來(lái)熱生長(zhǎng)一層的能力。氧化物掩蔽技術(shù)是一種熱生長(zhǎng)的氧化層上通過(guò)刻印圖形和刻蝕達(dá)到對(duì)硅襯底進(jìn)行擴(kuò)散摻雜的工藝技術(shù)，也是上個(gè)世紀(jì)50年代以來(lái)最主要的發(fā)展，這是大規(guī)模晶體管發(fā)展的關(guān)鍵因素[1-3]。從這層意義上講，氧化在硅的平面工藝發(fā)展中扮演著重要的角色，同時(shí)也解釋了氧化直至今日仍能在硅基制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的原因。

在微細(xì)加工技術(shù)的迅速發(fā)展的推動(dòng)下，硅微通道結(jié)構(gòu)已經(jīng)在微通道板器件等方面獲得成功應(yīng)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(yī)學(xué)成像、天文探測(cè)、夜間成像等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。借助了最先進(jìn)的微細(xì)加工技術(shù)，硅微通道板器件的許多性能，如本底噪聲、分辨率、長(zhǎng)徑比、使用壽命和環(huán)保特性等都得到了大幅度的改善[4]。文章就對(duì)熱氧化變形的問(wèn)題做具體分析，比如一片5英寸的硅片，由于熱氧化，會(huì)造成體積膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力變形，然而把變形的硅片切割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小面積電子元器件后，相對(duì)變形量就基本可以忽略不計(jì)了，對(duì)器件在后期的實(shí)際應(yīng)用沒(méi)有任何的影響。因此微小的硅元器件加工過(guò)程中對(duì)氧化變形問(wèn)題的要求不是很嚴(yán)格[5]。大面積高深寬比微結(jié)構(gòu)器件對(duì)平整度的要求比常規(guī)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(yīng)用過(guò)程中往往需要與其它器件做耦合，因而，氧化變形問(wèn)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(guò)程中各參數(shù)項(xiàng)對(duì)形變的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

樣品經(jīng)過(guò)拋光清洗之后，放在石英舟上送入氧化爐內(nèi)，氧氣瓶中干燥氧氣通過(guò)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(jìn)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(zhǎng)度。

其中擊穿電壓的測(cè)量所用測(cè)量?jī)x器是GPI-735A參數(shù)測(cè)試儀，測(cè)量時(shí)保證周圍環(huán)境的絕緣，在硅微通道板氧化過(guò)后在其放置于導(dǎo)電橡膠中間，從底部引出導(dǎo)線，導(dǎo)線與原型石墨橡膠塾接觸。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量得到中心位置和邊緣位置的擊穿電壓。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 氧化參數(shù)與形變量的關(guān)系

2.1.1 溫度硅微通道板高溫氧化形變的影響

表中數(shù)據(jù)是不同溫度情況下氧化前后翹曲度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是由多組數(shù)據(jù)求品均值。

硅氧化成二氧化硅體積增加到原來(lái)的2.16倍，由于體積的膨脹所產(chǎn)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(shù)的強(qiáng)烈差異，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在相同規(guī)格下，翹曲度隨著氧化溫度的升高而增加，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)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(duì)型變的影響

晶體中的應(yīng)力和應(yīng)變可以由很多因素影響晶體中的應(yīng)變場(chǎng)可以從點(diǎn)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(yīng)力計(jì)算出來(lái)，對(duì)于熱氧化生長(zhǎng)氧化膜的晶體，一般可以利用測(cè)量機(jī)械形變的方法將應(yīng)力計(jì)算出來(lái)，如果晶片的彎曲不大襯底沒(méi)有發(fā)生塑性形變，且沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，并假設(shè)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(yuǎn)小于Ws，d遠(yuǎn)小于Ws，Tf為薄膜應(yīng)力，E和ν分別為襯底的楊氏模量和泊松比；r為撤點(diǎn)離開(kāi)晶片中心的距離。由公式可以看出當(dāng)溫度確定熱膨脹系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，薄膜中的應(yīng)力也相對(duì)穩(wěn)定所以如果襯底厚度增加會(huì)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(shí)驗(yàn)允許的程度下硅微通道板越厚，熱氧化過(guò)后樣品的形變量越小。

2.1.3 退火方式對(duì)氧化后硅微通道板翹曲率影響

晶體中的應(yīng)力應(yīng)變可以有多種原因造成，其中過(guò)量空位就是其中的原因之一，空位在晶體里是最簡(jiǎn)單的點(diǎn)缺陷，對(duì)于硅來(lái)說(shuō)在接近熔點(diǎn)時(shí)可以有約1018/cm3空位，而在室溫時(shí)就少很多。硅在高溫氧化過(guò)后冷卻非常快，在高溫下形成的大量空位無(wú)法以擴(kuò)散的形式擴(kuò)散到表面，就被“困”在體內(nèi)，許多的空位可聚集層團(tuán)，當(dāng)它最后塌崩是，可形成錯(cuò)位圈，導(dǎo)致形變。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出高溫氧化過(guò)后不同退火與不退進(jìn)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(duì)氧化后翹曲率的影響不大。

綜上各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guī)格范圍內(nèi)盡量使用低溫氧化，硅微通道板采用厚板，且在氧化過(guò)后進(jìn)行退火可以有效的減少高溫氧化過(guò)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(jīng)過(guò)拋光-去蠟清洗-標(biāo)準(zhǔn)清洗-濕氧氧化八小時(shí)后硅微通道板擊穿電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果從中我們可以從中看出大部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是中心擊穿打壓大于邊緣擊穿電壓，原因是因?yàn)樵诙趸^(guò)程中熱應(yīng)力滑移錯(cuò)位是器件，一般來(lái)說(shuō)，熱應(yīng)力在晶片的邊緣比較大，另外硅片與石英舟的裝卡接觸應(yīng)力也主要發(fā)生在硅片的邊緣。因此晶體邊緣的熱應(yīng)力滑移位錯(cuò)比較嚴(yán)重，由此導(dǎo)致在邊緣區(qū)域的器件電學(xué)性能差。

3 結(jié)束語(yǔ)

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

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明溫度在1000℃時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出在氧化后對(duì)樣品進(jìn)行緩慢降溫可以明顯起到減少形變的作用。文章還對(duì)氧化后硅微通道板擊穿電壓進(jìn)行測(cè)試得出在中心區(qū)域的擊穿電壓大于邊緣區(qū)域，因?yàn)樵诠栉⑼ǖ腊暹吘墔^(qū)域上的缺陷更多，更容易被擊穿。

參考文獻(xiàn)

[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(jié)構(gòu)對(duì)SiO2薄膜熱應(yīng)力的影響[D].長(zhǎng)春理工大學(xué).

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

[7]羅建東，周彬，呂文峰，等.大面積高深寬比微結(jié)構(gòu)硅片的熱氧化實(shí)驗(yàn)研究[J].光電工 程，2012，39（8）：105-110.