SiO2层厚度的测量方法
【摘要】在半导体平面工艺中，SiO2层薄膜的质量对半导体器件的成品率和性能有重要影响，因而需要对SiO2层薄膜的厚度作必要的检查。
SiO2层厚度的测量有多种方法，其中干涉法是生产中较普遍采用的。
本论文主要分析了利用干涉原理测量SiO2层厚度的方法，介绍了干涉现象在半导体工艺上的应用。
【关键词】半导体工艺;SiO2薄膜;干涉法;膜厚
0.前言
在半导体工艺中，半导体器件表面需要覆盖着介质膜,用来防止其表面受到杂质离子的污染，从而使半导体器件能够处于稳定的工作状态。
二氧化硅(SiO2)膜经实验证实满足作为介质膜所需的基本要求，所以近年来在工业领域得到了广泛地应用。
1．SiO 2层在半导体领域的应用
1.1对杂质的掩蔽作用
由于硼、磷等杂质在二氧化硅中的扩散速率比硅中慢得多，则这些杂质可利用一定厚度的SiO2膜作为扩散时的掩蔽膜，在需要扩散的区域，采用光刻技术。
1.2对半导体器件表面的保护和钝化作用
在硅片表面覆盖一层SiO2膜，将硅片表面和PN结与外界空气隔离开来，就减弱了环境空气对硅片表面状态的影响，从而提高了半导体器件的稳定性和可靠性，起到了钝化硅片表面的作用。
1.3用于半导体器件的电绝缘和隔离
SiO2具有很高的电阻率，是良好的绝缘材料，所以在硅器件中做铝引线与薄膜下面元件之间的绝缘层．还可以利用SiO2的绝缘性能来实现集成电路各元件之间的电隔离，即介质隔离。
1.4用作MOS场效应管的绝缘栅杂质
SiO2膜的厚度和质量直接决定着MOS场效应管的多个电参数。
2．测量SiO2膜层的一般方法
测量SiO2膜层厚度的方法主要有：干涉法、椭圆偏振仪法、双光束分光光度计法、划线法。
本论文主要通过分析运用干涉原理测量SiO2层厚度的方法，
介绍了干涉现象在半导体工艺上的应用。
3．运用干涉法测量SiO2层厚度
运用干涉原理测量SiO2层厚度的原理是：当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于SiO2是透明介质，入射光将分别在SiO2表面和SiO2－Si界面处反射，如图3所示。
图1 入射光在SiO2及Si界面处发生反射的实验简图
根据光的干涉原理，当两束相干光的光程差△为半波长的偶数倍时，即当△=2K■=Kλ（K=0，1，2，3…）时，两束光的相位相同，互相加强，因而出现亮条纹。
当两束光的光程差△为半波长的奇数倍时，即当△=（2K+1）■（K=0，1，2，3…）时，两束光的相位相反，因而相互减弱，出现暗条纹。
由于整个SiO■台阶的厚度是连续变化的，因此，在SiO■台阶上将出现明暗相间的干涉条纹。
在图1中，光束S■在SiO■台阶上的反射光用（1）表示，在SiO■-Si界面的反射光束用（2）表示。
根据光程的概念和小入射角的条件，光束（2）在SiO■内走过的光程应近似为2nX■ （n为SiO■的折射率，X■为入射照射处SiO■的厚度）。
由图可见，光束（1）和光束（2）的光程差为2nX■。
假如光束（1）和光束（2）产生的干涉条纹为亮条纹，则下列关系式成立
△■=2nX■=k■λ
∴X■=■
又若光束S■ 在SiO■台阶表面的反射光束和在SiO■界面处的反射光束产生一个与上述亮纹相邻的亮条纹。
则同样应有下式成立
△■=2nX■=(K■+1)λ
∴X■=■
由此可知，两个相邻亮条纹之间的SiO■层厚度差为
X■-X■=■-■=■
同样，两个相邻暗条纹之间的SiO■层的厚度差应为■。
由此可见，如果从SiO■台阶楔尖算起至台阶顶端共有m+1个亮条纹（或暗条纹），则SiO■层的厚度应为
X=m■
这就是我们通常用来计算SiO■层厚度的公式。
其中n为SiO■的折射率,λ为照射光的波长，m为干涉条纹数。
由前面的分析可知，在SiO2台阶楔尖处应出现亮条纹。
但光在不同的介质上反射时，我们应考虑“半波损失”。
根据光学原理，当光从光疏介质进入光密介质时，其反射光存在“半波损失”。
在上述系统中，空气、SiO2、Si的折射率分别为1、1.46、3.5，因此在两个界面上的反射光都存在“半波损失”，其作用互相抵消，对光程差不产生影响，所以SiO2台阶楔尖处应为亮条纹。
当测量SiO2层厚度时，若以亮条纹为计算对象，并且SiO2台阶两边都出现亮条纹，则从楔尖的第一个亮条纹算起，从一个亮条纹到相邻另一个亮条纹算一个干涉条纹，例如如图1所示的图案条纹数应为3。
若在干涉显微镜的视场内观察到的干涉图案如图2所示，对应于台阶顶端的左边为暗条纹，对应于台阶楔尖的右边为亮条纹。
这时公式中的干涉条纹数m不为整数。
如图2所示的干涉图案应算为两个半干涉条纹，即m=2.5。
由上述分析可知，干涉条纹的位置取决于光程差，光程差的任何变化都将引起干涉条纹的移动。
若光程差每变化一个波长，条纹就移动一根。
如果被测样品表面有部分凸凹不平，则两束光在干涉后与被测样品表面不平处相对应的地方，干涉条纹就产生了弯曲，通过对干涉条纹的弯曲程度（用弯曲量ΔN表示）的测量，同样可得出SiO2膜的厚度，为弯曲度法。
图2 干涉显微镜内观察到的干涉图案图3 弯曲度法测SiO2层厚度
在用弯曲度法测SiO2层厚度时，光将SiO2膜腐蚀成劈刀形，如图3所示，因为SiO2膜是透明的，SiO2膜的上表面的反射光很弱，而下表面的反射光较强（硅表面），这样SiO2膜上表面的反射可以忽略
在楔尖两边p、c处反射光的光程不同，从D到p的反射光的光程为2nd（n 为SiO2的折射率），入射光C到c的反射光的光程为2d，这样从点p到c光程的变化为
2n-2d=2(n-1)d
光程差每变化一个波长的数值时，干涉条纹就弯曲一根条纹的距离，如果变化ΔN个λ则条纹弯曲ΔN根条纹的距离，故
■=ΔN
因SiO■膜的折射率m≈1.46，所以
d=ΔN·λ
通过干涉显微镜测出弯曲度ΔN，就可以求出SiO■层的厚度。
4.四种测量SiO2层厚度方法的比较
4．1相同点
它们都是非接触式测量，不会对膜表面造成任何伤害，也不会因为膜软而造成误差，所以精度很高。
4．2不同点
椭圆偏振仪法是已有的厚度测量方法中最精确的方法之一，但是运用该方法需要复杂的计算，这影响了它的推广。
光干涉法是一种无损、精确且快速的SiO2层厚度测量方法，不过，光干涉法如果应用于不透明的薄膜，要求膜面具有较好的反光率，因此不适合黑色的不透明薄膜。
双光束分光光度计法优点是灵敏度高，缺点是影响因素较多，测量条件不易控制，且仅对厚度超过100nm的SiO2膜层有很好的精度。
划线法操作较方便但是误差较大，实际测量中较少采用。
5.结论
随着科技的发展，半导体产品在人们的生产生活中有着越来越广泛的应用。
SiO2层薄膜的质量好坏对于半导体器件的成品率和性能有重要影响，因而精确测量需对SiO2层薄膜的厚度作必要的检查。
【参考文献】
［１］郑楠，杨苹，王起义，杨忠海，黄楠．Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响[J]．中国科学(技术科学)，2010，10．
［２］张先永，尼喜主编.电子技术基础.武汉市：华中科技大学出版社,2009.
［３］潘元胜，冯璧华．大学物理实验（第二册修订版）[M]．南京：南京大学出版社，2004，1．
［４］张孔时，丁慎训．物理实验教程（近代物理实验部分）[M]．北京：清华大学出版社，2001，6．。