本文摘要：

"自然氧化層厚度通常在 1-2 nm，但其不均勻性可導致接觸電阻增加 3-9 倍、外延缺陷率上升。優尼康科技提供的 FilmSense FS-RT300 激光橢偏儀以 0.00017 nm 的亞埃級重復性精度，覆蓋從硅片來料檢測到等離子體活化鍵合的全場景薄膜測量需求，2.5 分鐘即可完成 300 mm 晶圓的 49 點全面掃描。優尼康科技，您值得信賴的精密薄膜測量合作伙伴。"

自然氧化層是硅片暴露于大氣或含氧環境中自發形成的超薄氧化薄膜，厚度僅1~2納米，卻對半導體器件的性能與良率有著不成比例的重大影響。隨著集成電路制程不斷微縮，柵氧化層厚度已降至3納米以下，自然氧化層的精確表征與管控正成為決定工藝成敗的關鍵環節。

優尼康科技作為KLA旗下Filmetrics光反射膜厚儀中國區總代理，同時與FilmSense建立戰略合作關系，致力于將半導體測量技術服務于中國客戶。FilmSense FS-RT300多波長橢偏儀以其0.00017納米的重復性精度，為自然氧化層厚度管控提供了理想的測量解決方案。

本文將從自然氧化層的形成機理出發，系統分析其在各工藝環節中的影響，并以實測數據展示FS-RT300的性能。

一、       自然氧化層的形成與生長規律

1.1 自發形成機制

當硅片表面暴露出新鮮界面并與含氧環境接觸時，室溫下即會自發形成一層極薄的氧化薄膜。這一過程始于潮濕環境中水分子的吸附——數秒內即有幾十層水分子吸附并滲透至硅表面，引發室溫氧化反應。

自然氧化層本質上為非晶態結構，主要成分為缺氧的SiO?，并含有少量游離硅和碳。厚度低于2納米時，其化學組成為SiO?混合物（x從0漸變至2），并非化學計量比的SiO?。表面羥基密度高，呈現強親水性。

1.2 典型厚度范圍與生長動力學

自然氧化層的厚度因暴露條件和時間而異：

生長動力學遵循對數規律 x∝ln(t+1)：初期快速生長，數小時內可達~1 nm；后期逐漸放緩并趨于飽和。氧氣和水分濃度越低，生長速率越慢。

1.3 關鍵影響因素

影響自然氧化層厚度的主要因素排序為：溫度 > 氧氣濃度 > 濕度 > 存儲時間 > 表面處理。溫度越高，飽和厚度越大；純氧環境比空氣生長更快。此外，硅晶面的晶體取向也會影響氧化層形成速率——研究表明Si(110)晶面比常規Si(100)更易形成自然氧化物。

二、為什么要管控自然氧化層厚度

自然氧化層雖薄，但對半導體器件性能的影響貫穿多個關鍵工藝環節。

【圖片：自然氧化層厚度對不同工藝步驟的影響程度圖】

2.1 外延生長

自然氧化層會嚴重妨礙單晶薄膜的外延生長。外延工藝要求基底表面原子級潔凈，氧化層厚度必須 < 0.5 nm 或去除，否則會導致外延層缺陷、晶格失配，良率顯著下降。

2.2 柵氧化層生長

超薄柵氧化層（< 3 nm）要求基底表面原子級潔凈。自然氧化層的存在會導致柵氧厚度不均勻、介電常數偏差、可靠性劣化。研究表明，自然氧化層品質與厚度在整個晶圓表面不一致，會阻礙對超薄柵氧化層厚度的準確控制。

2.3 金屬接觸電阻

金屬-硅接觸界面的自然氧化層會顯著增加接觸電阻：

1.0 nm 氧化層 → 接觸電阻增加約 3.2 倍

2.0 nm 氧化層 → 接觸電阻增加約 9 倍

這一影響在先進制程的Contact工藝中尤為關鍵，是導致器件性能退化的主要因素之一。

2.4 工藝一致性與批次間差異

不同批次硅片存儲時間不同，導致自然氧化層厚度不均，進而造成工藝參數漂移和批次間差異（Run-to-Run Variation）。在量產環境中，這一差異直接影響良率穩定性和產品一致性。

二、       關鍵應用場景分析

3.1 硅片制造中的質量監控

隨著國內芯片制造產能的快速擴張，12英寸硅片的需求持續攀升。自然氧化層厚度作為硅片來料檢驗的重要指標，直接決定了后續工藝的適配性。優尼康科技為半導體行業提供從晶圓、薄膜到缺陷檢測的全流程測量方案，覆蓋磷化銦襯底、介質薄膜、光刻膠等多種材料體系。

3.2 再生晶圓（Reclaim Wafer）的降本增效

再生晶圓是半導體工廠將使用后的控片和擋片通過化學清洗去除表面薄膜、再經拋光恢復平整后重新用于設備監測的重要手段。在這一過程中，清洗后表面殘留氧化層厚度的精準測量，是判斷再生質量是否達標的關鍵依據。到2032年，中國硅回收晶片市場規模預計將達11.76億美元。

3.3 親水鍵合與表面活化鍵合

在晶圓鍵合工藝中，自然氧化層的作用具有兩面性：

親水鍵合中，~1.2 nm的原生氧化層是鍵合的基礎，提供Si-OH基團和H?O吸收能力，其厚度決定了初始鍵合能。

表面活化鍵合（SAB）中，O?等離子體轟擊會使原有氧化層進一步增厚。活化時間從30秒增至120秒，氧化層厚度從~3.8 nm增至~6.0 nm；超過60秒后粗糙度開始惡化。

不同等離子體活化方法的氧化層厚度差異顯著：

四、測量設備：FilmSense FS-RT300激光橢偏儀

4.1 產品概述

FilmSense FS-RT300是一款專為半導體晶圓級薄膜測量設計的高精度激光橢偏儀，具備亞納米級薄膜厚度測量的能力。產品采用8波長LED光源（370、450、525、595、660、735、850、950 nm），長壽命（>50,000小時）、無活動部件，兼具單波長橢偏儀的價格優勢與光譜橢偏儀的分析效能。

優尼康科技作為FilmSense的戰略合作伙伴，提供FS系列橢偏儀在中國的銷售與技術支持，核心優勢在于提供設備與工藝一體化支持。不僅提供設備，更能給予關鍵的工藝應用支持、技術優化建議及定制化解決方案。

【圖片：FilmSense FS-RT300 激光橢偏儀】

4.2 關鍵技術參數

參數        規格

測量范圍        0 ~ 5 µm（大多數透明薄膜）

典型厚度重復性        0.002 nm

外形尺寸        400 × 500 mm，22 kg

光斑尺寸        0.8 × 1.9 mm（標準，其他尺寸可選）

晶圓圖繪制時間        2.5 分鐘（300 mm晶圓，49點）

平臺行程        R 150 mm / 分辨率 12 µm；Theta 360° / 分辨率 0.05°

4.3 功能特性

電動Z型載物臺，支持樣品自動對焦

可選配USB攝像頭，便于定位和觀測

靈活的掃描圖案編輯器，支持自定義測量方案

測量結果的等高線圖與3D圖可視化呈現

集成聚焦探頭，適配多種光斑尺寸

Model Builder智能模型建立功能——用戶只需回答幾個關于樣品結構的簡單問題，軟件即可自動建立并測試多個模型，推薦擬合模型。

五、       實測性能數據

5.1 重復性測試結果

FS-RT300在自然氧化層測量中的重復性精度實測數據如下：

【圖片：FS-RT300在自然氧化層測量中的重復性精度實測數據圖】

表格

樣品        厚度范圍（nm）        均值（nm）        重復性精度（nm）

1# ~1.2 nm Native Oxide on Si        0.00130        1.26270        0.00032

2# ~2.7 nm Native Oxide on Si（標準）        0.00070        2.71890        0.00017

3# ~1.3 nm Native Oxide on Si        0.00650        1.33924        0.00230

4# Native Oxide after Plasma        0.00580        3.87294        0.00232

（1#、2#：單點重復測試30次；3#、4#：單樣品重復測試10次）

5.2 數據分析

在標準自然氧化層（~2.7 nm）上，FS-RT300實現了0.00017 nm的重復性精度

在超薄自然氧化層（~1.2 nm）上，重復性精度仍達0.00032 nm

等離子體活化后的氧化層（~3.9 nm）測量精度為0.00232 nm

亞埃級（sub-?）重復性——這一量級的精度足以滿足最嚴苛的工藝監控需求。

5.3 實際膜層結構說明

需要指出的是，實際的自然氧化層結構比理想分層模型更為復雜。高分辨透射電鏡（XTEM）圖像顯示，晶體硅基板和非晶SiO?氧化物層之間存在過渡層：

表格

層        厚度（nm）        折射率（n）

過渡層（Si/SiO?界面）        ~0.7        ~3.2

a-SiO?層        —        ~1.46（接近熔融石英）

自然氧化物（有效指數）        —        ~1.7（等效組合）

自然氧化層的厚度和有效折射率取決于硅片質量、拋光工藝和保存時間。表面還可能吸附揮發性有機化合物形成污染層，通常可通過溶劑沖洗去除。

5.4 先進半導體晶圓

【圖片：FilmSense FS-RT300測量先進半導體晶圓上自然氧化層的數據圖】

5.5 再生晶圓

【圖片：FilmSense FS-RT300測量再生晶圓上自然氧化層的數據圖】

5.6 活化后的厚度監控

【圖片：FS-RT300對自然氧化層活化后的厚度監控測量圖】

六、總結

優尼康科技提供的FilmSense FS-RT300激光橢偏儀，以其亞納米級重復性精度（低至0.00017 nm），為自然氧化層厚度管控提供了理想的測量解決方案。

核心價值概覽：

通過使用FS-RT300對自然氧化層進行在線或離線監控，半導體制造企業可以有效降低批次間差異，提升工藝良率，實現從"經驗驅動"到"數據驅動"的工藝管控升級。

參考文獻

[1] S. Wolf and R.N. Tauber, "Silicon Processing for the VLSI Era," Vol. 1, Lattice Press, 1986.

[2] FilmSense FS-RT300 Automated Mapping Multi-Wavelength Ellipsometer, Product Specifications.

[3] N. Kuhakongkiat, "Crystallographic Orientation-Dependent on Native Oxide Evolution for Advanced CMOS Surface Control," SEMI SPCC.

[4] 文獻: CN101425457B, "半導體元件的制造方法".