書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：SiO2薄膜對(duì)硅界面退化

編號(hào)：JFKJ-21-489

作者：炬豐科技

摘要

? 已表明氫硫化硅的高溫退火可蝕刻和柔化其表面。我們嘗試使用幾種電測(cè)量來描述這種粗糙度的程度和它發(fā)生的時(shí)間尺度：過量的直接隧道電流、介電擊穿和 Fowler-Nordheim 隧道電流的振蕩。根據(jù)這些結(jié)果，我們得出了預(yù)氧化退火對(duì) Si/SiO2 界面顯微粗糙度的時(shí)間和水含量依賴性的結(jié)論。

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介紹

? ULSI 技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則的不斷縮小將更多的注意力集中在非常薄的 -50A 鈍化 Jims 上。一些對(duì)于較厚的絕緣膜被認(rèn)為可以忽略不計(jì)的不利現(xiàn)象對(duì)于硫醇膜變得至關(guān)重要。眾所周知，Si/SiO2 界面處的微觀粗糙度會(huì)嚴(yán)重降低絕緣層的電氣特性。最近表明 2 表面準(zhǔn)備和預(yù)氧化環(huán)境條件可以改變硅的表面形態(tài)和金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 電容器中氧化物的絕緣完整性。

實(shí)驗(yàn)性的

? 樣品制備： 對(duì)單面拋光、輕度和簡并摻雜的 p 型 Si(100) 晶片進(jìn)行 RCA 清潔，然后在濃氫氟酸 (HF) 中浸泡 10 秒。一些樣品在不同 pH 值的緩沖氫氟酸 (BHF) 溶液中進(jìn)行了 5 分鐘的處理。該工藝為晶片留下了一個(gè)干凈的氫終止表面，可以抵抗自然氧化物的生長6。所有溶液均為 MOS 級(jí)，樣品在成膜前用去離子水沖洗。樣品在 N2 中吹干并裝入爐子的端蓋中。退火和氧化在雙壁熔融石英水平管式爐中進(jìn)行。高純度氣體以-4.71/min的流速混入爐內(nèi)。努力保持管子密封，氣體流經(jīng)濕度計(jì)，以避免含氧雜質(zhì)回流。干氧化是在 H2O 濃度小于 3 ppmV 的情況下進(jìn)行的。所有氧化均在-latm下進(jìn)行。壓力和 800 ℃。薄膜生長后，將樣品在 O 2 中快速拉到端蓋以在惰性環(huán)境中冷卻。薄膜厚度通過橢圓光度法測(cè)定。面積為 -8-10”4 cm2 的金屬柵極通過在 440”7 托的基礎(chǔ)壓力下以 25A/s 的速度蒸發(fā) -3000A 的鋁而通過蔭罩沉積。沒有后元]退火（NPMA）。

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結(jié)果和討論

? 主要的傳輸機(jī)制如圖 1 所示。在低偏壓 (<1V) 下，根據(jù)高斯定律測(cè)量小而恒定的位移電流 Id。在分析之前從 IV 曲線中減去 Id。在高偏置下，對(duì)于質(zhì)量好的薄膜，電流由 Fowler-Nordheim (FN) 型傳導(dǎo)支配。當(dāng)柵極的費(fèi)米能級(jí)升高到高于襯底/絕緣體功函數(shù)電位時(shí)，蝠鲼 電子可以穿過三角形勢(shì)壘（圖 2）進(jìn)入絕緣體導(dǎo)帶。這種傳輸由方程描述。

? 使用 Io 作為界面粗糙度的定性度量器，我們檢查了預(yù)氧化退火對(duì)硅表面的影響。我們?cè)谳p摻雜和退化摻雜的 p-Si(100) 上生長了幾個(gè)系列的氧化物。最終 BHF 浸漬的 pH 值在 -1 到 9 之間變化。描述 Io 對(duì) PreOxA 時(shí)間依賴性的典型數(shù)據(jù)集如圖 3 所示。根據(jù)數(shù)據(jù)（實(shí)線）的擬合，并考慮在從數(shù)據(jù)來看，Io 似乎與退火時(shí)間無關(guān)。

變化對(duì)這些結(jié)果沒有顯著影響（數(shù)據(jù)未顯示）。

? ?在干燥 (<3ppmV) 環(huán)境中接受 PreOxA 的樣品的 AD 表現(xiàn)出低介電擊穿，擊穿場(chǎng) Fb 與 PreOxA 的長度和樣品制備無關(guān)。眾所周知，由于將電荷注入絕緣體所造成的損壞，介電擊穿會(huì)加速。如果陽極界面包含導(dǎo)致表面突起的微粗糙度，由于這些粗糙處的場(chǎng)增強(qiáng)，注入的電荷將局部增加。因此，界面越粗糙，表觀擊穿場(chǎng)越低。

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圖 5. FN 隧道電流中的量子振蕩。由于界面異常引起的阻尼振蕩。

概括

? 通過使用電學(xué)方法，我們研究了惰性氣體中的高溫退火對(duì)干凈硅晶片的表面形態(tài)的影響。我們得出結(jié)論，這種預(yù)氧化退火使 Si/SiO 界面。這種退化似乎導(dǎo)致界面處的微粗糙度。這體現(xiàn)在增強(qiáng)的直接隧道電流、較低的介電擊穿場(chǎng)和 FN 隧道電流中的量子振蕩阻尼。這種退化發(fā)生在很短的時(shí)間范圍內(nèi)，并且似乎達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，與退火時(shí)間無關(guān)。在退火過程中加入小濃度的 H2O 降低了這些影響，并導(dǎo)致 MOS 結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的電氣特性。

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