書籍：《炬豐科技-半導體工藝》
文章：SiO2薄膜對矽界面退化
編号：JFKJ-21-489
作者：炬豐科技
摘要
已表明氫硫化矽的高溫退火可蝕刻和柔化其表面。我們嘗試使用幾種電測量來描述這種粗糙度的程度和它發生的時間尺度：過量的直接隧道電流、介電擊穿和 Fowler-Nordheim 隧道電流的振蕩。根據這些結果，我們得出了預氧化退火對 Si/SiO2 界面顯微粗糙度的時間和水含量依賴性的結論。
介紹
ULSI 技術設計規則的不斷縮小将更多的注意力集中在非常薄的 -50A 鈍化 Jims 上。一些對于較厚的絕緣膜被認為可以忽略不計的不利現象對于硫醇膜變得至關重要。衆所周知，Si/SiO2 界面處的微觀粗糙度會嚴重降低絕緣層的電氣特性。最近表明 2 表面準備和預氧化環境條件可以改變矽的表面形态和金屬氧化物半導體 (MOS) 電容器中氧化物的絕緣完整性。
實驗性的
樣品制備： 對單面抛光、輕度和簡并摻雜的 p 型 Si(100) 晶片進行 RCA 清潔，然後在濃氫氟酸 (HF) 中浸泡 10 秒。一些樣品在不同 pH 值的緩沖氫氟酸 (BHF) 溶液中進行了 5 分鐘的處理。該工藝為晶片留下了一個幹淨的氫終止表面，可以抵抗自然氧化物的生長6。所有溶液均為 MOS 級，樣品在成膜前用去離子水沖洗。樣品在 N2 中吹幹并裝入爐子的端蓋中。退火和氧化在雙壁熔融石英水準管式爐中進行。高純度氣體以-4.71/min的流速混入爐内。努力保持管子密封，氣體流經濕度計，以避免含氧雜質回流。幹氧化是在 H2O 濃度小于 3 ppmV 的情況下進行的。所有氧化均在-latm下進行。壓力和 800 ℃。薄膜生長後，将樣品在 O 2 中快速拉到端蓋以在惰性環境中冷卻。薄膜厚度通過橢圓光度法測定。面積為 -8-10”4 cm2 的金屬栅極通過在 440”7 托的基礎壓力下以 25A/s 的速度蒸發 -3000A 的鋁而通過蔭罩沉積。沒有後元]退火（NPMA）。
結果和讨論
主要的傳輸機制如圖 1 所示。在低偏壓 (<1V) 下，根據高斯定律測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，對于品質好的薄膜，電流由 Fowler-Nordheim (FN) 型傳導支配。當栅極的費米能級升高到高于襯底/絕緣體功函數電位時，蝠鲼 電子可以穿過三角形勢壘（圖 2）進入絕緣體導帶。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，我們檢查了預氧化退火對矽表面的影響。我們在輕摻雜和退化摻雜的 p-Si(100) 上生長了幾個系列的氧化物。最終 BHF 浸漬的 pH 值在 -1 到 9 之間變化。描述 Io 對 PreOxA 時間依賴性的典型資料集如圖 3 所示。根據資料（實線）的拟合，并考慮在從資料來看，Io 似乎與退火時間無關。
變化對這些結果沒有顯着影響（資料未顯示）。
在幹燥 (<3ppmV) 環境中接受 PreOxA 的樣品的 AD 表現出低介電擊穿，擊穿場 Fb 與 PreOxA 的長度和樣品制備無關。衆所周知，由于将電荷注入絕緣體所造成的損壞，介電擊穿會加速。如果陽極界面包含導緻表面突起的微粗糙度，由于這些粗糙處的場增強，注入的電荷将局部增加。是以，界面越粗糙，表觀擊穿場越低。
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
通過使用電學方法，我們研究了惰性氣體中的高溫退火對幹淨矽晶片的表面形态的影響。我們得出結論，這種預氧化退火使 Si/SiO 界面。這種退化似乎導緻界面處的微粗糙度。這展現在增強的直接隧道電流、較低的介電擊穿場和 FN 隧道電流中的量子振蕩阻尼。這種退化發生在很短的時間範圍内，并且似乎達到了穩定狀态，與退火時間無關。在退火過程中加入小濃度的 H2O 降低了這些影響，并導緻 MOS 結構具有優異的電氣特性。