半導體生產中的高壓氧化工藝和氧化層測量技術

高壓氧化工藝

高壓氧化必須使用特殊的硬件條件，下圖是高壓氧化系統(tǒng)的說明圖。由于硬件條件的復雜性和安全因素，先進半導體生產中并不常使用高壓氧化技術。

氧化層測量技術

監(jiān)測氧化層的技術就是測量氧化層的厚度和均勻性。橢圓光譜儀一般用于測量電介質薄膜的折射率和厚度。當光束從薄膜表面反射時，它的極化狀態(tài)將會改變（見下圖）。通過測量極化狀態(tài)的變化就可以獲得有關薄膜反射系數和厚度的信息。由于測量的橢圓數值是厚度的周期函數，所以必須使用一個薄膜厚度的估計值。因為已知二氧化硅對波長為633nm光線（紅色 He-Ne激光）的折射系數為1.46,因此橢圓光譜儀也可以用來測量氧化層薄膜的厚度。

氧化層生長完成之后，晶圓的表面顏色會隨之改變。顏色與薄膜厚度、折射系數和入射光的角度有關。如下圖所示，因為光線2進入氧化薄膜經過了較長的距離，所以從氧化層表面的反射光（光線1）和從硅-二氧化硅界面的反射光（光線2）將有相同的頻率但有不同相位。

這兩種反射光相互干涉并在不同波長形成建設性和破壞性干涉，這是因為折射系數是波長的函數。增強性的干涉頻率決定了晶圓的顏色。

△phi=2tn（lamda）/cos （theta）=2N pi

其中t是薄膜厚度，n（lamda）是薄膜折射系數，theta為入射角度，而N是一個整數。當相位移△phi 大于2pi時，色彩模式將會重復。下表為二氧化硅厚度的顏色對照表。

下表在測量薄膜厚度時是非常方便的工具。雖然現在的IC生產都不再使用表,但該表仍用于快速估計氧化層厚度及查看有無明顯的非均勻性。

如果將具有一層較厚氧化層的晶圓放入氫氟酸溶液中，氫氟酸將會刻蝕二氧化硅。將晶圓緩慢拉出后，氧化層將會因刻蝕的時間不同而厚度不同，晶圓的顏色也不同。這樣可以制作出色彩呈周期性改變的晶圓，即所謂的彩虹晶圓。

要準確測量二氧化硅的厚度就必須使用光反射光譜儀，它能夠測量不同波長的光被反射后的強度，再通過光的波長和反射強度之間的關系將薄膜的厚度計算出來。

對于柵氧化層，擊穿電壓和固定電荷的測量非常重要。通過在氧化層上沉積一層圖形化的導電層就可以形成所謂的金屬-氧化物-半導體電容，通過這個電容就可以測量出擊穿電壓和固定電荷。當施加了偏壓后，通過金屬氧化物半導體電容對電壓的關系或C-V曲線就可以獲得硅-二氧化硅界面的固定電荷分布。如果增加偏壓直到二氧化硅擊穿為止，就能夠測量出擊穿電壓的數值。結合250攝氏度的高溫測試可以通過熱應力加速元器件發(fā)生故障的時間，從而可以預測元器件的壽命。下圖為C-V測量系統(tǒng)的說明圖。

審核編輯：湯梓紅