二氧化硅薄膜制备与厚度测量.pdf

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1、二氧化硅薄膜制备与厚度测量一�实验目的�1�了解二氧化硅的性质及在半导体器件中的作用2�掌握二氧化硅薄膜制备与厚度测量的方法二�实验原理�1�二氧化硅薄膜的性质及其作用生产中制取的二氧化硅�从晶格结构上看大体可分为结晶形二氧化硅和无定形�非晶形�二氧化硅。石英体�如水晶�属于结晶形二氧化硅�半导体器件生产中所制备的二氧化硅薄膜属于无定形二氧化硅。其物理化学性质为�白色或无色�含铁量较高的是淡黄色�比重2.2�2.66�20℃��溶点1670℃�鳞石英��1710℃�方石英��沸点2230℃�不溶于水和酸�除氢氟酸�。微粒时能与熔融的碱类起作

2、用。多少年来�氧化工艺发展得很快�随着人们对二氧化硅薄膜性质的认识不断深化�二氧化硅膜在半导体器件生产上的应用越来越广泛。�1�作为杂质选择扩散的掩蔽膜SiO2在现代半导体工业上最重要应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜。所谓掩蔽就是阻挡的意思。SiO2薄膜对扩散杂质的阻挡作用是有条件的�是相对的。事实上�当杂质向Si片表面扩散的同时也向SiO2表面进行扩散。例如在基区硼�B�扩散中�当包围着Si片的杂质蒸汽内的B2O3向基区Si表面扩散时�B2O3也向SiO2薄膜扩散�其过程如图2�1所示。图2.1基区硼扩散示意图由SiO2的结构分析可知�扩散

3、进入SiO2层内的B2O3将被电离并把氧离子交给SiO2网络�而B原子则取代SiO2网络中的Si原子的位置�使SiO2层表面形成硼硅玻璃层。实验表明杂质在SiO2中的扩散服从扩散规律�因此杂质在SiO2中的扩散深度与杂质在Si中的扩散深度具有同样的表达式�即有X�ADSiO2�t�2.1�上式表明�扩散温度越高�扩散的时间越长�杂质在SiO2层表面的扩散深度也越大。硼硅玻璃——二氧化硅的界面越靠近SiO2�Si界面。既然杂质在SiO2薄膜中也能进行扩散�为什么又说SiO2薄膜具有掩蔽杂质扩散的作用呢�这是由于在同样的扩散条件下�硼�B�在S

4、iO2中的扩散系数远小于它在Si中扩散系数的缘故。所以当硼在基区内达到所希望的扩散结深X时�i硼在SiO2中的扩散深度X却很小�没有扩透SiO2薄膜。因此在有SiO2薄膜覆盖的Si表面上就没有硼原子进入�达到了掩蔽杂质扩散的目的。但若SiO2薄膜厚度比较薄�或者扩散温度比较高而扩散时间又长�则硼原子将会扩透SiO2薄层�进入SiO2层下的Si表面�使SiO2薄膜掩蔽失效。由此可见SiO2薄膜起掩蔽作用的条件有二�第一�所选用的杂质元素在SiO2中的扩散系数必须比其在Si中的扩散系数小�第二�SiO2薄膜必须具有足够的厚度�以保证当杂质在扩散

5、区内达到预想的扩散深度时�SiO2薄膜还远远没有被杂质扩穿。实验表明常用的N型杂质磷、砷、锑在SiO2的扩散系数比其在Si中的扩散系数为小。在1100℃时磷在Si中的扩散系数约为其在SiO2中1000倍左右�但在常用的P型杂质中却只有硼在SiO2中的扩散系数比其在Si中的为小。只有硼适宜作为硅平面器件的P型杂质扩散源。对于高斯函数分布�A=5.2�对于余误差函数分布�A=4.6。由于大多数情况下�采用余误差函数发布来描述杂质在SiO2中的扩散分布更为合适。因此�对扩散杂质起掩蔽作用所需最小SiO2厚度可用下式计算�Xmin�4.6Dt�2.

6、2�图2.2杂质在SiO2中扩散系数�2�作为器件表面的保护和钝化膜硅平面工艺的特点之一是从一开始就用一层SiO2薄膜覆盖在Si片表面上。这一方面使在后面的整个工艺流程中�Si片表面免受镊子划伤以及蒸发、烧结和封管等工序中可能带来的杂质沾污或金属丝的粘联�起到了保护Si片表面的作用。另一方面�由于覆盖在表面的SiO2薄膜把Si片表面及P�N结同外界环境气氛隔离开来�这就使得Si片的表面状态对环境气氛的影响反应迟钝�消除了环境气氛对Si片表面和P-N结的直接影响�提高了半导体器件的稳定性和可靠性�起到了钝化Si片表面的作用。值得指出的是�Si

7、O2薄膜的钝化效果与SiO2层的质量紧密相关。针孔密度大或者正离子(特别是钠离子)沾污严重的SiO2层�不但不能起到良好的钝化作用�而且往往成为器件性能不稳定的根源。因此尽量减少SiO2薄膜的针孔密度和避免钠离子沾污�是必须十分注意的两个问题。�3�作为某些器件的组成部分由于二氧化硅具有十分良好的绝缘性能�所以在半导体器件生产上�除了用来作为杂质扩散的掩蔽膜、器件表面的保护和钝化膜外�还常常被用来构成器件的组成部分。①作为集成电路的隔离介质目前半导体集成电路的隔离有两种常用的方法�一种是P�N结隔离�一种是用SiO2作为绝缘材料的介质隔离。

8、介质隔离比起P�N结隔离来�在某些方面具有较好的隔离效果�比如漏电较小�击穿电压较高�隔离区与衬底之间的寄生2电容也较小�一般小于10微微法/毫米��而且不受外界偏压的影响�从而