硅片清洗處理對紅外光譜分析的 Si SiO2 界面

眾所周知，硅的熱氧化動力學(xué)是一個復(fù)雜的過程，涉及到氧化劑進入表面，通過剛剛生長的氧化層運輸，最后在大塊硅和SiO之間的界面上發(fā)生反應(yīng)，盡管有許多工作致力于這個問題，但一些關(guān)鍵的現(xiàn)象還沒有得到很好的解釋，如預(yù)氧化表面處理的影響，這些表面處理的目標(biāo)是清潔硅表面的污染物，去除天然的氧化物層，并通過鈍化過程改變化學(xué)反應(yīng)行為。

根據(jù)所使用的清洗步驟順序，特別是最后一步，表面處理不僅強烈影響生長速率，而且強烈影響整體氧化物和Si/Sio2界面的性質(zhì)，通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)對薄氧化物層的結(jié)構(gòu)質(zhì)量進行了比較分析，并與不同的清洗程序所產(chǎn)生的影響有關(guān)，這些都是基于標(biāo)準(zhǔn)的RCA方法加上高頻溶液蝕刻法，所得結(jié)果表明，紅外技術(shù)能夠理解所涉及的現(xiàn)象和完成XPS分析。

結(jié)合四種清潔處理，CLI(a+b)；CL2(b+a)：CI3(d+e)；CL4(d+e+c)在不同的步驟之間，晶片在4次降雨中用水沖洗,對兩組晶片進行了實驗，在第一組晶片中，在T = 950°C下，在常規(guī)爐中氧化晶片35分鐘(標(biāo)記為F過程)，所有的火焰都被一起氧化了,這是一個非常重要的特征，在第二個過程中，晶片在T=1050°C的快速熱氧化(RTO)爐中被氧化，就在氧化之后，兩組的一些晶片在常規(guī)爐中在1000℃退火15分鐘(AF ),或者通過快速熱退火工藝(RTA)在1050℃退火15秒。

因此，為了提高信號/噪聲比，選擇了使用偏振和非偏振的高光譜的反射吸收技術(shù)，使用徹底的處理來消除來自硅襯底的背景光譜特征和干擾因素，用這種方法，可以測量厚度小于20的薄膜，此外，由于吸收峰的位置取決于幾何特征(例如入射角或?qū)雍?，因此需要仔細模擬紅外光譜，以便將振動頻率與其他作者先前使用透射數(shù)據(jù)報告的振動頻率進行比較。 二氧化硅紅外光譜的特征經(jīng)過廣泛的研究，它們在大約450、800和1075厘米處顯示出三個特征光譜峰，由于靈敏度原因，如果入射角偏離法線并且層的厚度低于IR波長，則可以觀察到這種分裂。應(yīng)力值隨退火過程的演變可以解釋，假設(shè)輪胎氧化物松弛應(yīng)力的粘彈性模型，通過比較計算出的應(yīng)力弛豫時間，作為溫度的函數(shù)，與退火時間，可以解釋AF過程中氧化層的弛豫程度較高。

為了確定氧化過程和/或清洗處理對紅外光譜的影響，比較了相同表面處理的不同氧化過程和退火過程。觀察到(表1 ), RTO工藝使t0-3個峰值位置的波數(shù)值高于傳統(tǒng)工藝，此外，退火過程使t0-3峰向更高值移動，在該表中，還指出了根據(jù)實驗結(jié)果計算的0°透射條件下的吸收峰位置。

觀察到RTO過程使TO3的峰值位置處于比傳統(tǒng)爐1更高的波數(shù)值，此外，退火過程產(chǎn)生了TO3峰向更高的值的移動。在這個表中，我們還指出了0°傳輸條件下的吸收峰位置，并計算出了實驗結(jié)果。

通過將作為溫度函數(shù)的計算應(yīng)力松弛時間與退火時間進行比較，可以解釋AF過程中氧化層更高程度的松弛，在表中，定義為將應(yīng)力降低到其初始值的l/e所需的時間，AF工藝的退火時間(1000 ℃)高于其弛豫時間，因此結(jié)構(gòu)變得弛豫，相反，RTA退火時間比該溫度(1050℃)下的弛豫時間短，結(jié)果，該層變得不太松弛。因此，為了在分析預(yù)氧化處理對應(yīng)力值的影響時，我們必須考慮所用的熱處理程序，分析了清洗處理對兩組樣品的紅外光譜的影響，如果比較IR光譜(圖1)，我們看到在氧化之前進行HF最終步驟的晶片中的t0-3峰值振幅增加。由于氧化時間相同，這一結(jié)果與之前報道的較厚的氧化物層的數(shù)據(jù)一致。

為了解釋結(jié)果，我們?nèi)A林科納進行了XPS分析，與其他清洗過程相比，在高頻最后一步的樣品中，亞信號具有較小的振幅，這些亞羧基層對應(yīng)于從晶體硅到非晶SiO的轉(zhuǎn)變，它允許氧化物在沒有界面上存在的固有應(yīng)力的情況下生長。因此，較小的過渡亞層，最后一步高頻清洗晶片給予更少的應(yīng)力松弛，該過渡層的厚度可能與清洗過程之后和氧化之前剩余的氧化層有關(guān)。

盡管事實上表中報告的FWHH值沒有顯示出顯著的變化，但t0-3個峰顯示出不同的形狀

這取決于清潔過程，對于RTO，觀察到類似的行為，盡管每個成分的重要性并不為人所知，但是這種方法可以增強t0-3吸收帶的變化。

假設(shè)t0-3頻率分布與Si-O-Si角度分布相關(guān)，可以解釋這種變化，因此，這種分布的微小變化將改變較高或較低頻率的貢獻。然后由于在HF最終步驟后獲得的氧化層顯示出較高的面積比，這可能表明氧化層更加均勻。

總之，報道的結(jié)果顯示了HF最終步驟清洗對熱生長氧化物結(jié)構(gòu)的影響。此外，與用H、SO4或RCA最后清洗獲得的層相比，這些層具有更大的壓縮應(yīng)力，這是由于不同的界面過渡層厚度。此外，退火處理可以改變應(yīng)力值。

審核編輯：符乾江