硅微通道列阵氧化形变实验研究

王宇

摘 要：在高温氧化工艺中硅片的翘曲和弯曲现象比较严重，对后续工艺造成很大困难，使器件成品率和性能受到很大的影响，造成该现象的主要原因是因为在二氧化过程中硅和二氧化硅热膨胀系数的差异，由于热膨胀系数随着温度而变化导致形变的产生。从晶体本身分析在热氧化过程中晶体本身产生大量空位在氧化过后温度极速下降导致空位无法扩散，形成空位团，当聚集到一定地步会造成塌崩，形成严重的缺陷导致受到热应力的不均匀，最后导致形变。通过测量硅微通道板不同位置的击穿电压分析导致击穿电压不均匀的原因。

关键词：热氧化；热膨胀；热应力；击穿电压

引言

硅基集成电路制造技术的基础之一是在硅片表面来热生长一层的能力。氧化物掩蔽技术是一种热生长的氧化层上通过刻印图形和刻蚀达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术，也是上个世纪50年代以来最主要的发展，这是大规模晶体管发展的关键因素[1-3]。从这层意义上讲，氧化在硅的平面工艺发展中扮演着重要的角色，同时也解释了氧化直至今日仍能在硅基制造业中得到广泛应用的原因。

在微细加工技术的迅速发展的推动下，硅微通道结构已经在微通道板器件等方面获得成功应用，比如具有高深宽比的大面积硅基 X 射线光栅、硅基微通道板、多孔硅传感器等在医学成像、天文探测、夜间成像等领域的应用越来越广泛。借助了最先进的微细加工技术，硅微通道板器件的许多性能，如本底噪声、分辨率、长径比、使用寿命和环保特性等都得到了大幅度的改善[4]。文章就对热氧化变形的问题做具体分析，比如一片5英寸的硅片，由于热氧化，会造成体积膨胀而产生应力变形，然而把变形的硅片切割为一个个独立的小面积电子元器件后，相对变形量就基本可以忽略不计了，对器件在后期的实际应用没有任何的影响。因此微小的硅元器件加工过程中对氧化变形问题的要求不是很严格[5]。大面积高深宽比微结构器件对平整度的要求比常规的硅基器件要高出很多，比如硅基 X 射线光栅、硅基微通道板等，在应用过程中往往需要与其它器件做耦合，因而，氧化变形问题就不可忽略[6-7]。影响形变的因素有很多器件面积，深宽比，表面粗糙度，厚度等。文章以此为题研究在高温氧化过程中各参数项对形变的影响。

1 实验过程

样品经过抛光清洗之后，放在石英舟上送入氧化炉内，氧气瓶中干燥氧气通过85℃的水浴锅后在通入氧化炉，氧气的流量为1000sccm，升高氧化炉温度到1100℃进行湿氧氧化。图 1为高温氧化装片示意图。

得到的。其中w是弯曲度，h是翘曲两边的平行高度，L是翘曲两边之间的长度。

其中击穿电压的测量所用测量仪器是GPI-735A参数测试仪，测量时保证周围环境的绝缘，在硅微通道板氧化过后在其放置于导电橡胶中间，从底部引出导线，导线与原型石墨橡胶塾接触。实验进行多点测量得到中心位置和边缘位置的击穿电压。

2 实验结果分析与讨论

2.1 氧化参数与形变量的关系

2.1.1 温度硅微通道板高温氧化形变的影响

表中数据是不同温度情况下氧化前后翘曲度的实验结果，实验数据是由多组数据求品均值。

硅氧化成二氧化硅体积增加到原来的2.16倍，由于体积的膨胀所产生的膨胀压力大于硅微通道板的抗束缚能力，硅微通道板在氧化后弯曲主要原因是由于硅和二氧化硅热膨胀系数的强烈差异，根据实验结果可以看出在相同规格下，翘曲度随着氧化温度的升高而增加，因为热膨胀系数随温度升高而升高，从中我们可以看出在低温下能较少硅微通道的翘曲形变。

2.1.2 硅微通道板基底对型变的影响

晶体中的应力和应变可以由很多因素影响晶体中的应变场可以从点阵间距离变化或在热失配引起的情况下观察样品改变其弯曲方向所需的温度，从而将应力计算出来，对于热氧化生长氧化膜的晶体，一般可以利用测量机械形变的方法将应力计算出来，如果晶片的弯曲不大衬底没有发生塑性形变，且没有相对滑动，并假设两种材料的弹性是各向同性的，那么晶片的弯曲情况要满足下式

式中Wg为衬底厚度；Wf为薄膜厚度，Wf远小于Ws，d远小于Ws，Tf为薄膜应力，E和ν分别为衬底的杨氏模量和泊松比；r为撤点离开晶片中心的距离。由公式可以看出当温度确定热膨胀系数相对稳定，薄膜中的应力也相对稳定所以如果衬底厚度增加会减少晶片的弯曲。

从表格中我们可以看出在相同的条件下，氧化后给微通道板的翘曲度随着样品厚度的增加而减少，与我们之前的推算基本一致，从中可以看出在实验允许的程度下硅微通道板越厚，热氧化过后样品的形变量越小。

2.1.3 退火方式对氧化后硅微通道板翘曲率影响

晶体中的应力应变可以有多种原因造成，其中过量空位就是其中的原因之一，空位在晶体里是最简单的点缺陷，对于硅来说在接近熔点时可以有约1018/cm3空位，而在室温时就少很多。硅在高温氧化过后冷却非常快，在高温下形成的大量空位无法以扩散的形式扩散到表面，就被“困”在体内，许多的空位可聚集层团，当它最后塌崩是，可形成错位圈，导致形变。

从实验结果中可以看出高温氧化过后不同退火与不退进行比较，可以得出退后可以减少热氧化后的翘曲率，但是自然退火和通入高纯氧气对氧化后翘曲率的影响不大。

综上各实验数据可以得出减少热氧化后高温形变的氧化方法是在样品要求的规格范围内尽量使用低温氧化，硅微通道板采用厚板，且在氧化过后进行退火可以有效的减少高温氧化过后给微通道板的形变。

2.2 高温氧化后击穿电压分析

表4为经过抛光-去蜡清洗-标准清洗-湿氧氧化八小时后硅微通道板击穿电压实验结果从中我们可以从中看出大部分的实验结果都是中心击穿打压大于边缘击穿电压，原因是因为在二氧化过程中热应力滑移错位是器件，一般来说，热应力在晶片的边缘比较大，另外硅片与石英舟的装卡接触应力也主要发生在硅片的边缘。因此晶体边缘的热应力滑移位错比较严重，由此导致在边缘区域的器件电学性能差。

3 结束语

文章给出了不同氧化条件下对硅微通道板形变的研究，通过改变氧化温度，硅微通道板厚度，以及氧化后的退火条件进行分析，记录氧化后翘曲度的变化。

通过大量实验数据表明温度在1000℃时氧化后翘曲率最小仅为0.41，厚度为340μm的样品曲率小于厚度为270μm样品的翘曲率，同样通过实验大量实验结果得出在氧化后对样品进行缓慢降温可以明显起到减少形变的作用。文章还对氧化后硅微通道板击穿电压进行测试得出在中心区域的击穿电压大于边缘区域，因为在硅微通道板边缘区域上的缺陷更多，更容易被击穿。

参考文献

[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.硅微通道结构对SiO2薄膜热应力的影响[D].长春理工大学.

[6]谢书银，石志仪，陈中祥.高温工艺中硅片的翘曲[J].半导体技术，1997.

[7]罗建东，周彬，吕文峰，等.大面积高深宽比微结构硅片的热氧化实验研究[J].光电工 程，2012，39（8）：105-110.