（微电子学与固体电子学专业论文）soi材料的光学表征和soi器件射频性能的研究.pdf

摘要 被誉为“2 l 世纪的硅集成电路技术”的s o i 技术，由于其独特的结构特性 而被广泛应用在低压、低功耗、射频、高温、抗辐照集成电路以及光电集成等微 电子领域。随着s i m o x 商品化生产的发展和深入，其质量控制和材料性能表征 问题显得尤为重要。本论文从s i m o x 生产实际问题出发，建立了针对氧化埋层 上界面粗糙度无损椭偏光谱表征方法。首先建立自然氧化层一表层硅一粗糙度层 一氧化埋层一半无限吸收衬底四层光学分层结构，分别用单晶二氧化硅、单晶硅、 b e m a 近似( s i l _ x ( s i 0 2 ) 。) 、柯西多项式得到各层的折射率和消光系数，编程对 实验测得的椭偏光谱进行拟合，得到最优的拟合参数即各层的厚度和过渡层的成 分，以此得到过渡区的粗糙度。 s o i 材料可成功的应用于微电子的大多数领域，但由于其s i 0 2 绝缘埋层的 自热效应，使其在高温高功率器件中的应用受到局限。为解决此问题，本文提出 采用热传导性能较好的t a c 取代s i 0 2 薄膜来解决。利用真空磁过滤弧沉积的方 法在p s i ( 1 0 0 ) 衬底上沉积了t a - c 薄膜。t a - c 薄膜的成分可以用s p 3 和s p 2 键 来表示，我们分别采用金刚石和石墨的光学参数通过b e m a 近似得到t a - c 薄膜 的光学参数，然后对t a - c 薄膜一半无限大硅衬底结构的椭偏光谱进行了拟合， 表征了薄膜的s p 3 含量。薄膜厚度和s p 3 含量在椭偏光谱的拟合中为独立参数， 结果可信。研究表明，较低的村底偏压有助于形成电绝缘性能良好的t a - c 薄膜， 且薄膜的s p 3 键含量较高。 论文的最后部分研究了s o i 基器件的射频特性。s o i 技术能大大提高体效应 因子，经过分析可以预测全耗尽s o im o s f e t 具有更高的g 卅如比值、更小的 栅电容和噪声、以及优良的亚闽值特性，因此可以认为f ds o im o s f e t 具有良好 的模拟特性，在射频集成电路应用具有良好的前景。通过研究传输线和螺旋电感 的射频特性发现高阻s o i 基具有损耗小、高q 因子的优势，能够满足射频电路单 片集成的要求。 a b s t r a c t s i l i c o n - o n i n s u l a t o r ( s 0 1 ) i se x p e c t e d t ob e c o m em a i n s t r e a ms u b s t r a t ef o r m i c r o e l e c t r o n i c si nn e a rf u t u r e f o rm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha sh i g h s p e e dl o w p o w e r i c s ，h i 曲t e m p e r a t u r e a n dr a d i a t i o n e l e c t r o n i c s ，s o ls u b s t r a t e so f f e rn u l n e r o u $ a d v a n t a g e sa sc o m p a r e d t ob u l ks i l i c o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h i nf i l mm i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e so ns i m o xs o is u b s t r a t e si sh i g h l yd e p e n d e n to nt h en a t u r ea n d p e r f e c t i o no f t h et o p s i b o xi n t e r f a c e s i nt h i sr e s e a r c hw ed e m o n s t r a t ean o n - d e s t r u c t i v ea n d i n s i t uc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fs p e c t r o s c o p i ce l l i s o m e t r yt h a ti ss e n s i t i v et ot h e s e i n t e r f a c i a lr e g i o n s t h ed i e l e c t r i cf u n c t i o n so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l si nt h et r a n s i t i o n r e g i o n sw e r e c a l c u l a t e d u s i n gt h e e f f e c t i v em e d i u ma p p r o x i m a t i o n ( e m a ) n a d d i t i o n ，t h ei n t e r f a c i a lr o u g h n e s s w a sa l s os t u d i e db yt e mm a da f m t h ea p p l i c a t i o no fas i l i c o n o 1 一i n s u l a t o ri nah i 曲- p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i ti s l i m i t e db yt h es e l f - h e a t i n ge f f e c t ，c a u s e db yt h ep o o rt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h e b u r i e ds i 0 2 w ei n t r o d u c et e t r a h e d r a la m o r p h o u s - c a r b o nt h i nf i l m s ，f o r m e db y r e a c t i v ef i l t e r e da r cd e p o s i t i o nm e t h o d ，a sa p ta l t e r a t i o n ，t h es p 3 s p 2c o m p o n e n t si nt h e t h i nf i l m sa n dt h es u r f a c er o u g h n e s sw e r em e a s u r e db ys p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ( s e ) ，w h i c h i sw e l lk n o w nf o rn o n - d e s t r u c t i v ea n di n - s i t uc h a r a c t e r i z a t i o na p p l i c a t i o n t h ed i e l e c t r i cf u n c t i o n so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l s 峙r ec a l c u l a t e du s i n g t h e b r u g g e m a n e f f e c t i v e a p p r o x i m a t i o n ( b e m a ) t h en e wc o m m u n i c a t i o nm a r k e t sa r ev e r yd e m a n d i n g ：h i 曲f r e q u e n c y , h i 曲 d e g r e eo fi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n s o lo f f e r sm a n ya d v a n t a g e sa n d t h i s p a p e r i l l u s t r a t e s t h e p o t e n t i a l t i e s o ft h i s t e c h n o l o g y f o rr fa n dm i c r o w a v e a p p l i c a t i o n s t h ep m p e r t i e so ft h es o lm o s f e t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t o b u l ks im o s f e t s t h em o d e l so ft r a n s m i s s i o nl i n e sa n di n d u c t o r so ns o la r e c o m p a r e d f r o md c t ot h em i c r o w a v e r e g i o n k e yw o r d s ：s o l ，s p e c t r o s c o p i ce l l i s o m e t r y ，e f f e c t i v e m e d i u ma p p r o x i m a t i o n ， r o u g h n e s s ，t a c ，a f m ，p ds o im o s f e t , s p i r a l i n d u c t o r 第一章概论 第一章概论 s o i ( s ili c o no ni n s u l a t o r ) 就是绝缘体上的硅。它是一种在硅材料与硅集 成电路巨大成功的基础上出现的、有独特优势、能突破硅材料与硅集成电路限制 的新技术 1 。s 0 1 的基本结构如图1 1 所示。 图l ，1s o l 材料的基本结构：( a ) 绝缘体为整个衬底；( b ) 绝缘体位于硅衬底上。 s o i 材料同体硅相比，能有效减小器件结面积，从而减小结电容。s o i 技术 的优越性体现在以下几个方面 卜4 ： 降低功耗：最高可达8 0 ： 提高集成密度：5 0 ： 减少工艺步骤：“3 0 ； 低驱动电压：可实现lv 以下驱动； 提高运行速度：在相同的驱动电压下，速度可提高2 0 3 5 i 拓宽温度范围：2 7 0 - 3 5 旷c ，最高可达5 0 0 ； 优异的抗辐照性能，减小软误差2 3 倍： 降低电路造价。 因此，s 0 1 技术在移动通讯、笔记本电脑、高速低功耗系统( 如超高速计算 机、工作站等) 、汽车飞机电子系统、存储器、空间飞行器等绝大多数集成电路 上有广阔的应用背景。s o i 技术实现了“摩尔”图上的跳跃，突破了体硅及其集 成电路的限制，将逐步取代体硅成为c i o s 等的主流技术，被国际上公认为是“二 十一世纪的硅集成电路技术” 5 。 第一章概论 1 1s o i 技术的发展概况 在绝缘衬底上的硅层上制作半导体器件的想法已经提出了几十年。早在 1 9 2 6 年，l i l i e n f i e l d 在绝缘栅场效应管( i g f e t ) 专利中提出了一个三端器件 ( 6 ，源到漏的电流由栅电场控制，栅与器件的其余部分是电绝缘的，构成器件 的有源部分是沉积在绝缘体上的半导体薄膜。由于当时的技术无法实现正常工作 的i g f e t 器件，随后由于双极晶体管的出现以及体硅m o s f e t 在微电子学领域的 广泛应用，i g f e t 技术完全被掩盖了。 为了解决体硅电路的体效应和抗辐照能力差的缺点，上世纪六十年初， m a f l a s e v e i t 和s i p s o n 提出了在蓝宝石上生长硅膜s o s ( s i l i c o n0 ns a p p h i r e ) 的想法 7 。但是硅与蓝宝石的晶格匹配度很差，热膨胀系数相差很多，致使顶 层硅的质量很差，绝缘层的界面态多。虽然解决了体硅电路的体效应问题，由于 上述的原因和昂贵的成本s o s 技术只是在军工、航空航天等极少数领域被用作 高温器件和抗辐照器件，没有实现大规模的推广。但是s o s 作为s o i 材料的一个 分支在不停的向前发展，目前已经成为一种成熟的技术。在s o s 技术发展的同时， 很多学者也在努力尝试着用在其他异质绝缘体上生长硅层的方法制备s o i 材料。 如在立方晶系的二氧化锆、尖晶石上生长硅层等方法 8 1 2 。但是材料本身的质 量问题以及难以和体硅工艺兼容等原因限制了它们的应用。 由于s i o 。为衬底的5 0 i 材料可以和体硅工艺兼容，从上世纪8 0 年代开始， 人们把注意力转向了以s i o 。为衬底的s o i 研究 1 3 1 6 。其中主要有区熔再结晶 ( z m r ) 、键合和背面腐蚀( b e s o i ) 、注氧隔离( s i m o x ) 等方法。在研究s i o ：为衬底 的s o i 材料的同时，在生产设备方面也有了很大的改进和提高，使s o i 材料的质 量大幅度提高，成本大幅度降低。 近凡年来，在笔记本电脑、移动电话等便携式系统、高速宽带信息网络以及 微小卫星飞速发展的推动下，低压、低功耗电路正成为集成电路的主要发展方向。 为了使功耗降低两个数量级，仅靠电路设计是达不到要求的，因此s o i 技术成为 解决便携式系统“功耗危视”的一种关键技术。便携式移动通信的迅速发展将会 给s o i 技术带来无限的商机。 2 第一章概论 1 9 9 8 年8 月3 曰，美国i b m 公司在纽约e a s tf i s h k i l l 宣布在世界上首次 利用o 2 2 pm 工艺和s o i 技术成功地研制出了高速、低功耗、高可靠的微电子主 流产品微处理器等高性能芯片。紧接着，s c i e n c e 1 7 以及我国中央电视台新闻 联播、中国科学报、中国计算机报等作了报道。i b m 的这一成果之所以引 起如此大的轰动，不仅是因为在世界上首家利用s 0 1 材料制造出具有完善功能的 复杂芯片，而且也因为s 0 1 微处理器芯片的工作速度显著提高、功耗大幅度降低。 与体硅c m o s 技术相比，s o l 技术使芯片的功能提高了3 5 。随后，i b m 公司又相 继开发了0 1 8um 、0 1 3 um 和o 1 0 um 等s o i 技术；并且将c u 互连和l o w k 工艺与s o i 技术结合在一起进行了应用。i b m 的成功掀起了世界各国对s 0 1 技术 的开发热潮。世界其他著名微电子公司如m o t o r o l a 、a m d 、t e x a si n s t r u m e n t s 以及m i t s u b i s h i 、p h i l i p 、a l l i e ds i g n a l 、c a n o n 、n t t 、s h a r p 等紧跟i b m 步 伐，纷纷宣布投入或计划投入巨资进行s o i 技术及其相关i c 产品的设计和制造， 加速s o i 技术的研究和开发，以期在这巨大的市场中占有一席之地。 表1 1 给出了s o i 技术应用领域。 表1 1s o l 技术应用。 s o i 高速特性 微处理器，高速通信，三维图象处理，先进多媒体 移动计算机，便揽式电子设备，射频通信，以及其它要求 s o l 低压低功耗特点 功耗低、散热快的领域，如单芯片系统s o c ，微小卫星等 高温器件，高压器件，卫星或其它空问应用，武器控制系 s o l 应用于恶劣环境 统等 作为一种结构材料，可制作硅基集成光电器件，应用于高 s o l 光通信和m f m s 应用速宽带互联网和其它光网络的接g l 。此外，s o i 嘲片还广 泛应用于制作微机电系统( m e m s ) 器十i ：，如传感器咎 中国科学院上海微系统与信息技术研究所三室多年来一直致力于s o l 材料 的研究，在s o l 材料领域取得了多项研究成果和专利。2 0 0 1 年6 月，实验室的 主要研究人员结合多年来的研究成果成立了上海新傲科技有限公司，成为中国 第家s i m o x 专业生产：公司 】8 。目前，该公司已经能够批量生产具有豳际质 第一章概论 量标准的4 、6 英寸的s i m o x 圆片。上海新傲科技有限公司的出现，解决了中国 s o i 的有无问题，为国内s o l 技术的研发提供了足够的保证，使中围的s o i 向前 迈进了一大步。 1 2s o i 材料的制备方法 s o i 材料制备研究已有2 0 多年的历史，发展了多种s 0 1 圆片制备技术。其 中包括b o n d i n g 、激光再结晶、s i m o x 、智能剥离以及最近发展起来的等离子体 浸没式离子注入技术。下面就目前商品化的s i m o x 、i t o x 、智能剥离技术以及可 能在未来低能注入方面具有潜力的等离子体浸没式离子注入技术作简单介绍。 i 2 1 注氧隔离技术( s i m o x ) 图1 2 为s i m o xs 0 1 制各示意图。s i m o x 圆片制备的两个关键步骤为：1 、 大剂量氧离子高温注入；2 、高温长时间退火。实际的s i m o x 制备工艺流程为： 原始硅片清洗、离子注入、清洗、高温退火、清洗和封装。s i m o x 圆片具有表层 s i 厚度均匀可控，埋层质量优异、厚度可控质量可靠，重复性高，工艺条件 成熟稳定，工艺过程简单等优点。s i m o x 圆片主要用于c m o s 集成电路方面，同 时能满足绝大多数传统s i 基集成电路的对s i 片的要求。 1 9 2 2 i 、s i m o x 技术发展概况 图i 2s i m o x 技术过程 s i m o x 技术是八十年代后期发展起来的s o l 制备技术，在最初的发展过程 中，由于退火工艺的限制s i m o x 结构很差，难以实现理想的三明治结构另一 方面在于离子注入机束流很小，只有及十毫安，需要长时间注入。因此早期的 第一章概论 s i m o x 圆片质量很差。 s i m o x 技术的发展从两个方面展开，其一为大束流氧离子注入机的研制。注 入机的研制集中在以下几个方面：大束流长寿命的氧离子源；基片的加热问题； 大柬流长时间注入下圆片的沾污问题以及大束流氧离子是引出和加速和扫描方 式等。在1 9 8 5 年，e a t o n 公司根据n t t 公司的要求制各了第台专用大束流氧 离子注入机n v 2 0 0 ，该机设计束流密度可达i 0 0m a ，大大加侠了s i m o x 技术的 发展步伐。该机的出现是s i m o x 技术发展史上的重要里程碑。1 9 9 1 年，参加n v 2 0 0 注入机研制的部分研究人员独立于e a t o n 公司，创立了i b i s 公司。专门从事 s i m o xs o l 的研制工作，于1 9 9 2 年推出i b i s1 0 0 0 专用氧离子注入机( 如图9 ) ， 并于1 9 9 5 年销售出第一台i b i s1 0 0 0 。该公司1 9 9 5 年在美国n a s d a k a 上市。标 志着s i m o xs o l 技术走向商业化生产。截止2 0 0 0 年9 月底，该公司包括自用及 销售共生产了i b i s1 0 0 0 型注入机1 5 台。日本的h i t a c h i 公司也开展了大束流 氧离子注入机的研制工作，迄今为止制备了两台u i 一5 0 0 0 型大束流氧离子注入 机。但由于该公司未进行s i m o xs 0 1 圆片制备技术的研制因此，在世界上的影 响不大。 另一个方面为高温退火。早期的常规退火由于受石英管本身特性的限制，退 火温度在1 1 5 0 6 c 左右，1 9 8 5 年采用多晶硅或碳化硅作炉管可实现在1 3 0 0 湿度 下退火，而在用灯加热的炉内，甚至可在比硅熔点仅低几度的温度下退火。高温 退火明显地改善了s i m o x 材料的质量，并得到了原子级陡峭的s i s i o 。界面，使 s i m 。xs o l 圆片质量得到了质的飞跃。1 9 8 7 年发现，利用多重注入一退火来代替 一次高剂量注入，能明显减少顶部硅层内的位错密度( 小于1 0 3 c m 2 ) 。9 0 年代， 日本m t a c h i m o r i 博士等提出i t o x ( i n t e r n a lt h e r m a lo x i d a t i o n ) 的新工艺来 改进s i m o x 材料质量。退火工艺是影响s i m o x 圆片质量的关键工艺之一。这些工 艺包括退火气氛、退火时间、保温温度、气体比例、升降温速率、保温时间等。 早期人们采用高纯n ：气，发觉s 0 1 圆片表面特性较差，后来人们采用a r + o ：退火 方式，明显改善了表面和界面特性。a r + o ：的不同比例不但影响到表面界面特性， 同时影响到埋层质量。此外，升降温速率也被发现对s i m o x 圆片质量很大的影响， 特别是低剂量s i m o x 圆片。 第一章概论 通过大量的工作，人们目前从( 如表1 ，2 所示) 几个方面提高s i m o xs o l 圆片质量。从国际半导体规划发展组织对半导体微电子发展的估计表明，目前 s i m o xs o i 圆片质量完全达到其要求。 表1 2 目前s i m o x 圆片质量提高途径 问题 位错 埋层中的硅岛 b o x 层的完整性( 化学计量、 固定电荷、导电、缺陷) h f 缺陷 粗糙度 i i 、s 1 m o x 技术发展方向 解决办法 减少注入剂量、提高注入温度、提高注入能量、多次 注入与退火 优化注入剂量、多次注入与退火 注入时的清洁、提高注入温度、延长退火时间、补充 氧离子注入、高温氧化 清洗( 去粒子) 提高退火温度、延长退火时间、高温氧化、接触抛光 毫无疑问，s i m o x 技术的发展方向为低剂量低能量注入。促使开展这方面研 究的理由有三点：第一，薄的s i o ：埋层的抗总辐射剂量能力比厚埋层好；第二， 直接生长薄的硅膜( 而不是做成厚硅膜后再减薄) 对薄膜器件制造很有吸引力； 第三，s i m o x 片的生产成本正比于注入能量和注入剂量。低剂量s i m o x 工艺具有 以下优势：满足全耗尽m o s ( c m o s ) 电路的要求，提高埋层的抗总剂量辐照水平， 降低s i m o x 圆片制造成本，提高s i m o x 圆片产量；提高顶层硅单晶质量，降低顶 层硅中缺陷密度( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n 和s t a c kf a u l t s ) ，优化界面特性， 获得具有原子级别的界面；减小s o i 中的应力效应，优化表层硅和埋层的均匀性： 减小金属沾污：降低设备造价。提高产量，满足微电子工业对s o l 圆片的需求， 是贯穿s i m o x 发展的重要话题。产量的提高才会导致价格的降低和s i m o x 技术的 大力推广。限制s i m o x 产量的重要原因是注入剂量，因此，降低注入剂量同时保 持s i m o x 圆片质量是目前s i m o x 发展的重要方向。另一方面，全耗尽c m o s 电路 以及深亚微米集成电路的发展同时要求超薄s o l 及薄的埋层。降低剂量的主要集 中在以下几个方面： 第一章概论 1 ) 在1 8 0 k e v 下采用约4 x 1 0 ”c m - 2 的剂量注入，并在3 0 - - 1 0 0 的氧气气氛中高温 退火，后者导致b o x 的内部热氧化，提高了埋层的完整性，从而减小埋层漏 电流。这种方法已经能够提供商业化圆片。 2 ) 在使用标准高剂量以下的复合能量注入上进行发展，初步显示出了很强的竞 。 争力。 3 ) 6 5 k e y 下使用仅2 x 1 0 ”c m 2 的剂量。 4 ) 采用非常低的剂量，室温注入向经高温退火后的低剂量s i m o x 片，在b o x 层 中引入非晶区。减缓沉淀核形成连续的b o x 。 1 2 2i t o x 提高s i m o x 材料质量的新工艺 在降低注入剂量、提高s i m o x 材料质量方面，i t o x 是受重视的工艺，其 工艺原理图见图1 3 所示。提高s i m o x 材料质量的i t o x 工艺，即在较低剂量 注入后继以高温热氧化处理( i t o x - - i n t e m a l t h e r m a lo x i d a t i o n ) 。日本钢铁公司的 研究表明 2 3 ，采用i t o x 新工艺减少了s o l 上层s i 的位错密度，提高了上层 s i 和b o x 层的厚度均匀性以及表面、界面的平整度，减少了b o x 层的针孔密 稚 度，减少了金属沾污等。日本钢铁公司现有的8 i n c hi t o x - - s i m o x 材料，其漏 电密度小于o 。2 c m 2 ，沽污粒子( 大于o - 3um ) 小于5 0 片，s o l 厚度均匀性对 8 i n c h 全片小于1 5 n m 。 图1 3 通过高温内部氧化( 1 t o x ) 生长的图示。 第一章概论 1 2 3s m a r t - c u t 技术 智能剥离技术将传统的b o n d i n g 技术和离子注入技术结合起来。其思想非常 简单。图1 4 为其示意图。该技术包括两个方面：离子注入和硅片键合，其中， 离子注入可精确控制表层s i 厚度，并同时可使表层s i 保持体硅的完整性。 s m a r t c u t 技术能够提供具有同体硅相同质量的顶层硅，同时可随意调节埋 层厚度。s m a r t c u ts 0 1 圆片上层硅比较厚，适合双极电路等。目前生产s m a r t c u t s 0 1 圆片的主要商业公司为法国s o i t e c 公司。该方法的创始人为b r u e l 。 s m a r t c u ts 0 1 圆片制各思想简单，但工艺复杂。影响最终产品质量的因素 多。目前存在的主要问题集中在表层硅厚度和均匀性难以控制以及成品率低等。 图1 4s m a r t c u t 工艺原理图 1 2 4 等离子体浸没式注入技术 等离子体浸没离子注入p i i i 技术是目前最有可能突破s 0 1 材料价格问题的 新技术。不同于传统的直线型离子注入机，在等离子体浸没离子注入中，样品“浸 泡”在等离子体中，由于没有过滤器，其注入剂量速率是常规离子注入机束流的 十倍到一百倍。要达到s i m o x 或s m a r t c u ts o l 形成的极高剂量。只需数分钟， 第一章概论 且注入时间不随样品尺寸的加大而增加。以上两个特点将大大降低s 0 1 材料的 成本，在未来大尺寸硅片中这个特点将更加突出。国际上新近成立的s i g e n 公司 即以该技术为基础，发展p i l l 注氢智能剥离技术。但是，p i l l - s o l 在质量和技 术上均存在很多问题，离实用化尚有很长的距离。主要的问题包括等离子体的均 匀性、能量较低以及氧化等。 1 3 s o l 材料质量表征 1 1 在获得s o i 材料之后，对其质量的分析和测试就显得尤为重要。关键要表征 的是顶层硅的质量、绝缘埋层质量、顶层硅与绝缘埋层界面的质量，图1 5 是 s i m o x 材料的重要参数要求 2 4 。 图1 5s i m o x 质量表征参数 针对s o i 质量的要求，在长时间的生产和实验过程中，积累了一些行之有效 的表征方法。表1 3 给出了典型的s i m o x - s o i 圆片的测量和表征方法 2 5 。 在所有的表征方法中，只有椭圆偏振光谱法( s e - - s p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y ) 是在线无损的标准方法。在论文的第二章中我们将主要介绍该方 法。 9 第一章概论 表1 3 典型的s i m o x s o l 圆片的测量参数和表征方法 参数结果表征方法破坏性 t o ps it h i c k n e s s 1 7 0 土5n ms en o b o xt h i c h n e s s1 1 5 l on t ns en o p i n h 0 1 e s 4 3 m v c m ) b o xc a p s m e t a l sc o n t a m i n a t i o n 5 e 1 0c m 2 e l e m e n t t x r fn o ( f e ，n i ，c u ，z n ) 5 p p bt o t a l ( t o ps i ) a a s i c p m sy e s t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n s1 e 3 一l e 4c m l s e c c oe t c h y e s h fd e f e c t s0 。l o ，2c m - 2 h fd i py e s p a r t ic l e s 0 1c n i 2 o 3 h m t e n c o r6 4 2 0 n o s is u r f a c er o u g h n e s s o 4n m a f my e s i n t e r f a c er o u g h n e s s ( 0 2r i m a f my e s b o r o n 奄io霍# 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 2 1 引言 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 随着集成电路技术的迅速发展，集成电路产品的集成度越来越高，功能越来 越复杂，促使集成电路设计者不得不更多地关注集成电路的功耗问题。除了在设 计上对功耗进行优化以外，s o i 材料的应用是一种非常有潜力的技术。s o i 材料 应用到大规模集成电路上，相比体硅电路来说，有不可比拟的优越性，如低压低 功耗，高速等等。 s o i 技术的优越性的体现要求绝对保证材料的质量，其中有三个关键的注意 点：( 1 ) 、s i m o xs o i 圆片的氧化埋层必须保证良好的电介质绝缘特性：( 2 ) 、 s i m o xs o i 的表层硅必须保证足够的单结晶状态；( 3 ) 、s o i 圆片的热氧化s i 0 2 层界面粗糙度要低。 随着s i m o x 工艺的发展，一方面使s i m o x 质量不断提高，另一方面工艺 也变得更加复杂，工艺流程变长、变多。生产中s i m o x 可分为原始态、中间态 和最终态( 即产品) 。因此工艺流程的监控，就成为保证s i m 0 x 最终质量和良 率的关键。目前，对于上海新傲科技公司这样的专业s i m o x 生产厂家，在生产 s i m o x 过程中对注入剂量的控制是采用椭偏光谱法检测退火后完全形成s o i 结 构后的s i m o x 参数的方法来实现的。通过获得退火后完全形成s o i 结构后的 s i m o x 的b o x 厚度和均匀性信息反馈来调节离子束流和注入时间参数，达到控 制注入剂量的目的。这种方法具有滞后性，因为，即使是离子注入不均匀的硅片 也只有经过6 至8 小时的高温退火后才可以知道其埋层的质量是否均匀和厚度的 大小，因此可能造成很大的不必要的损失。因此，有必要寻找一种有效并且无损 的表征方法，对s i m o x 生产的原始态和中间态进行监控，准确及时地为s i m o x s o i 的质量控制过程提供可靠的参数，提高产品良率，省略不必要的退火步骤。 陈可伟在其论文中对原始注入态提出了红外监控方法，但随着工艺技术的发展， 在s i m o x 产品研发中，中间态的监控就变得越发重要。一方面中间产品结构参 数决定了下一步工艺参数的选取；另一方面中间态产品的结构参数亦对最终产品 1 9 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 的质量和参数有重要影响。因此在生产和新产品开发中，中间态的监控也就变得 十分重要。 而这些所谓的中间态就是在s o i 结构中，所形成的埋层氧化硅是二氧化硅 与不饱和氧化硅的混合态，有时含有硅岛，表层硅还含有一定缺陷，同时界面处 含有大量位错缺陷。如图2 1 所示。因此，这时在s o i 的光学描述中表层硅、埋 层氧化硅的折射率就不同于单晶硅和热氧化硅，必须建立合适的物理模型，加以 正确的描述。 图1 1s i m o x 中间态t e m 照片。 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 ( a ) 8 t o 一r 一- r ? t 1 一一。 ( b ) w a v e l e n g t hl f ln i n w a v e l e n g l hl nn m 图2 2 可见光范围内的单晶硅、多晶硅和非晶硅的折射率( a ) 和消光系数( b ) a 2 l 瓤瓴+ m m m ，鹿缎 5 聿 3 2 1 o k繁童。!毫-口u c曩罄左|置m 第二章s 1 m 0 x 界面粗糙度的光学表征方法 新傲在s i m o x 生产线上配备了k l a 的u v l 2 8 0 大规模生产型椭偏仪，它 具有速度快、全片扫描特点。但同时它也只有对s o i 最终产品表征的能力，因 为多层( 包括衬底最多为四层) 模型中n 、k 均来自标准数据库，即为单晶硅、 热氧化硅的n 、k ，因此无法正确描述原始态、中间态的光学参数。因此，建立 对生产线工艺调试、新产品开发适用的光学表征方法也就变得非常重要和有意义 了。另一方面，由于在椭偏光波范围内硅的n 和k 对结构很敏感( 如图2 2 所示) ， 因此椭偏光谱就比红外光谱更适合于中间态的描述。 本人在2 0 0 2 年初新傲生产工艺线调试中，结合工艺调试开发适合于表述中 间态的光学表征方法，并与调试工艺相比较( 涉及工艺细节就不在论文中细述) ， 而界面粗糙度表征就是这一工作的延续。 2 2 椭偏光谱法原理 椭偏光谱法具有非破坏和光学灵敏度高的优点，所以被广泛用于固体表面和 薄膜的在线及非在线表征。椭偏测量参数v 和是待侧样品的光学及结构特性的 函数。样品的这些特性可以用光学模型来抽象。光学模型包含了样品已知的物理 特性和未知参数，通过调整这些未知参数以使m 和的计算值与测量值最吻合， 同时得到这些参数，即最优模型。光学模型中包含了样品的光学( 如反射系数) 和结构( 如化学成分) 特性。本论文中，我们采用反射椭偏光谱法( 在下文中简 称为椭偏光谱法) 表征了s i m o x 圆片的结构特性，特别是结合有效介质近似理论 对s i m o x 氧化埋层上界面粗糙度的表征进行了深入的研究。 椭圆偏光法测量的是偏振单色光与光学系统相互作用前后偏振态的变化。通 用椭偏仪的工作布局图如图2 3 所示 2 6 】。来自合适光源l 的准直性能优良的单 色光或准单色光，经可调起偏器p 产生已知可控偏振态的光束。这束光与待测光 学系统s 相互作用，从而使光束的偏振态发生变化。利用其后连有探测器d 的 可调检偏器a 来检测系统输出端光束偏振态的变化。这种交化可以用椭偏角掣 和表示。 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表锰方法 图2 - 3 普通椭偏仪的工作布局图。l 、p 、s 、a 、d 分别代表光源、可调 起偏器、待侧光学系统、可调检偏器和光电探测器。 2 , 2 1 光波的偏振 单色光实质上就是横平面电磁波，如图2 4 所示。根据麦克斯韦方程组，电 场强度盖和磁场强度否互相垂直，方程组可表示为： 西= 碌啦 “ 否= 碌赂 “ ( 2 1 a ) ( 2 1b ) 其中，e 为传播矢量，瓦和磊为电场及磁场幅度。 偏振是各种矢量波荚有的一种性质，例如电磁波、固体中的弹性波和自旋波 都具有这种性质。对各种矢量波来说，偏振是指用一个矢量来描述空间个固定 点所观测到的矢量波( 电场、应变、自旋) 随时间变化的特征。对于光波，因为 当光与物质发生相互作用时，光波的电场对电子的作用力比磁场对电子的作用力 大得多，所以选用电场强度乏来定义光波的偏振态。通常，只要确定了五的偏振 态，根据方程组( 2 1 ) 和物质方程( 2 2 ) 可得到磁场强度b 的偏振态。 e 0 = c b o ( 2 2 ) 其中c 为光波的传播速度。 第二章s 1 m o x 界面粗糙度的光学表征方法 图2 4 平面电磁波传播示意图 j v 久 、 彳 x 取。7 图2 5 与x 轴成一定角度的椭圆偏振光示意图。 k ： 第二章$ 1 m o x 界面粗糙度的光学表征方法 在空间某固定点，若光波电矢量的轨迹在空间中有规律的重现同一仑椭圆形 态，则称光波在该点是椭圆偏振的。可以证b 归 2 6 】，椭圆偏振是完全单色的光波 电场最一般的偏振态。线偏振和圆偏振是一般椭圆偏振态当其椭率区特定值1 或0 时的两种特殊情况。 如图2 5 所示为沿z 方向传播的椭圆偏振光电矢量在x y 平面的投影，电场秀 可以分解为沿x 轴和y 牟虫的分量e x 和e ，： e = i e ，+ ，e 。 ( 2 3 ) 其中j 、j 为单位矢量。因为e x 和e y 对于空间和时间是独立的，所以可得到 t = e o e “+ “ e y = e y 。g 。( “一“+ “ ( 2 4 a ) 位4 b ) 其中e x o 和e y o 为振幅，吼和吼分别为各各分量的相位。因此，电场否的复振幅 可以用琼斯矢量描述： 瓦制铤引皿s ， 图2 6 表述了歪的不同偏振态时的琼斯矢量。可以看出，当两个电矢量分量 的相位差妒为m “( m 为非负整数) 时为线偏振；当两个电矢量分量的相位差为 f m + o 5 ) “时为圆偏振。 如图2 7 a 所示，非偏振的光波通过线性起偏器时，其只能透过沿传播轴( t a ) 方向的电矢量，因此成为线偏振光。图2 7 b 所示，线偏振光透过相位延迟器时， 其电场振动方向与慢轴( s a ) 平行的入射偏振光分量的相位，相对于电场振动方向 与快轴( f a ) 平行的分量有一个延迟妒。当相对延迟为0 ，5n 时，延迟器被称为 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 四分之一波片；当相对延迟为“时，延迟器被称为半波片。 ( a ) ，线偏振( p = mn )( b ) 、圆偏振( p = ( m + o 5 ) 厶= ( 卸 e o = r1 、 l 肘互川 ( c ) 、椭圆偏振 ff 懈1 1 【p t ( m + 圭 石f e o n a 2 + b z + c 2 i b l a f c 图2 6 偏振态与琼斯矢量的关系 厂、 人 ，叶 一i 压 i i 瓦 、i 一 厂、 4 话志 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学袁征方法 图2 7 线性起偏器( a ) 和相位延时器( b ) 的工作原理图。 2 2 。2 糖偏仪的测量原理 虽然光波偏振态的测量本身就具有重要意义，但利用椭偏测量术通常是为了 取得使偏振态发生变化的“某光学系统”的有关信息。我们所研究的椭偏测量术 的一般方法是：作为探针的偏报光与待测光学系统相互作用，这种作用将改变光 波的偏振态，测量偏振的初态和终态，或反复测量适当数目的不同初态和终态， 利用系统的琼斯矩阵。便可确定所研究的系统对偏振光的变换作用。 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 假定光波与光学系统间的相互作用是线性的，并且没有频率变化。光学系统 可通过下面的一种或几种过程而使作为探针的光波偏振态发生变化； ( 1 ) 反射或折射：当光波在两个不同的光学媒质界面上发生反射或折射时， 偏振态会发生突交。这种变化的原因是，对于与入射面平行( p ) 和垂直( s ) 的两种 线性偏振光分别有不同的菲涅耳反射和透射系数。 ( 2 ) 透射：当光波通过一各向异性媒质时，其偏振态将连续变化。 ( 3 ) 散射：当光波穿过困存在散射中心而其折射率具有空间不均匀性的媒质 时，便发生散射，如气悬体和乳状液。反射和透射并不影响原光束的准直性，但 散射不同于它们，通常伴随着散射能量在大的立体角范围内重作分布现象。 根据改变光波偏振态的作用方式，可将椭偏测量术分为：反射或表面椭偏测 量术；透射椭偏测量术；散射椭偏测量术。虽然许多基本原理是相同的，但上述 分类却对应于三种性质各异的研究领域，它们彼此历来就存在很大的鸿沟。在本 论文中我们将主要讨论反射椭偏测量术。 自d m d e 【2 7 】那个时期以来，反射椭偏测量术长期被认为是研究表面和薄膜 的重要手段。其主要应用有： ( 1 ) 测量材料的光学性质及其随频率的变化关系( 色散) 这些材料可以是 液相或固相，在光学上可阱是各向同性或各向异性的，可以是块状或薄膜态样品； ( 2 ) 监控有关表面的各茅申现象，包括从准单分子层开始的薄膜生长( 如用氧 化、淀积、吸附、溅射或杂质扩散等手段来制备薄膜) 或这类膜层的清除( 如用 解吸附、溅射或扩散等) ； 响。 ( 3 ) 测量诸如电场、磁场、应力或温度等这些物理因数对材料光学性质的影 第二章s i m o x 界面粗糙度的光学表征方法 以下将给出几种具有正交线性本征偏振态的光学系统的椭偏测量原理 i 、消光椭偏测量术 图2 8 给出了单波长椭偏仪的布局。来自合适光源l 的单色或准单色、准直 性优良的圆偏振或非偏振( 自然) 光束，首先经过仪器的起偏部件，此部件包括 起偏器p 和补偿器( 相位延迟器) c 。由仪器的起偏部件射出即投射到光学系统 s 上的光束是全偏振的，其偏振