栅介质氧化层缺失缺陷的形成原因及解决方案

氮氧化技术是45 nm及以下技术节点栅介质制备的关键工艺,严格控制由氮氧化工艺所诱发的界面缺陷是提高栅介质质量的重点.研究了形成栅介质氧化层缺失缺陷的原因,并提出了解决方案.结果表明,原位水蒸气生成(ISSG)热氧化形成栅介质氧化层后的实时高温纯惰性氮化热处理工艺是形成栅介质氧化层缺失缺陷的主要原因;在实时高温纯惰性氮化热处理工艺中引入适量的O2,可以消除栅介质氧化层的缺失缺陷.数据表明,引入适量O2后,栅介质氧化层的界面陷阱密度(Dit)和界面总电荷密度(ΔQtot)分别减少了12.5％和26.1％;pMOS器件负偏压不稳定性(NBTI)测试中0.1％样品失效时间(t0.1％)和50％样品失效时间(t50％)分别提高了18％和39％;32 MB静态随机存储器(SRAM)在正常工作电压和最小工作电压分别提高了9％和13％左右.     

氧化后退火技术对SiO2/4H-SiC界面态密度的影响

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)低温处理和高温快速退火的技术,研究了退火条件对SiO2/4H-SiC界面态密度的影响.在n型4H-SiC外延片上高温干氧氧化50 nm厚的SiO2层并经N2原位退火,随后在PECVD炉中对样品进行350℃退火气氛为PH3,N2O,H2和N2的后退火处理,之后进行高温快速退火,最后制备Al电极4H-SiC MOS电容.I-V和C-V测试结果表明,各样品的氧化层击穿场强均大于9 MV/cm,PH3处理可以降低界面有效负电荷和近界面氧化层陷阱电荷,但PH3处理样品的界面态密度比N2O处理的结果要高.经N2O氛围PECVD后退火样品在距离导带0.2和0.4 eV处的界面态密度分别约为1.7× 1012和4×1011eV-1·cm-2,有望用于SiC MOSFET器件的栅氧处理.     

一种提高栅氧化物介电常数的方法

从90 nm技术节点开始,等离子氮化SiON栅氧化层被广泛用作先进的CMOS器件制造。作为传统SiO2栅氧化层的替代材料,SiON栅氧化层因其具有较高的介电常数而能有效地抑制硼等栅极掺杂原子在栅氧化层中的扩散。氮化后热退火处理(Post Nitridation Anneal,PNA)是制备等离子氮化SiON栅氧化层的一个重要步骤,主要用于修复晶格损伤并形成稳定Si-N键,同时在氧化氛围下通过界面的二次氧化反应来修复SiO2/Si界面的损伤。本文通过对传统栅氧制备工艺中PNA单一高温退火工艺的温度、气体氛围进行优化,提供了一种通过提高栅氧化物的氮含量来提其高介电常数的方法。实验数据表明,与传统的制备方法相比,采用本方法所制备的SiON栅氧化层中氮含量可以提高30%以上,栅氧界面态总电荷可减少一个数量级,PMOS器件的NBTI寿命t0.1%和t50%可分别提高15.3%和32.4%。     

氮退火对SiC MOSFET栅源电压漂移的影响

为了准确地表征4H-SiC MOSFET经过高温栅偏(HTGB)测试后的栅源电压漂移,优化氮退火工艺条件以改善MOSFET栅源电压的稳定性,在n型4H-SiC (0001)外延片上制备了横向扩散MOSFET (LDMOSFET)和纵向扩散MOSFET (VDMOSFET).对栅氧化层采用不同温度、时间和气氛进行氮退火,并对制备的MOSFET进行了HTGB测试,探讨了栅压应力大小、应力时间、温度对栅源电压漂移的影响.结果 表明:相比LDMOSFET,VDMOSFET可以更有效地表征栅源电压漂移趋势;氮退火对栅源电压正向漂移影响较小;NO退火后增加高温N2退火、提高NO退火的温度和增加NO退火的时间均会引起VDMOSFET栅源电压负向漂移量增加;当栅压应力为-16 V、应力时间为500 s时,1200℃、70 min NO退火的VDMOSFET的栅源电压漂移比1250℃、40 min NO退火的小0.1～0.3 V.     

高温氧化对SiC MOS器件栅氧可靠性的影响

SiC金属氧化物半导体(MOS)器件中SiO2栅氧化层的可靠性直接影响器件的功能.为了开发高可靠性的栅氧化层,将n型4H-SiC (0001)外延片分别在1 200,1 250,1 350,1 450和1 550℃5种温度下进行高温干氧氧化实验来制备SiO2栅氧化层.在室温下,对SiC MOS电容样品的栅氧化层进行零时击穿(TZDB)和与时间有关的击穿(TDDB)测试,并对不同干氧氧化温度处理下的栅氧化层样品分别进行了可靠性分析.结果发现,在1 250℃下进行高温干氧氧化时所得的击穿场强和击穿电荷最大,分别为11.21 MV/cm和5.5×10-4 C/cm2,势垒高度(2.43 eV)最接近理论值.当温度高于1 250℃时生成的SiO2栅氧化层的可靠性随之降低.     

高温氩退火对提高Si片质量的研究

首先研究了氩退火对大直径直拉Si单晶表面的空洞型微缺陷的影响。样品在1 200℃下进行退火,退火前后样品上的晶体原生粒子缺陷(COP)利用激光计数器SP1来观察。试验表明Si片经过1 h退火后,表面的COP全部被消除;另外,对样品退火前后的几何参数和金属含量也做了测试,发现样品的几何参数和金属含量都没有明显的变化;最后研究了高温退火对MOS电容栅氧化层性能的影响,结果表明退火前后的样品分别制备为MOS电容,利用斜坡电压法来测试其击穿电压。实验发现,Si片经过1 200℃热处理后,MOS电容的击穿电压有了明显的提高,这表明高温退火工艺能够有效提高栅氧化层的性能。     

高k HfO2栅介质淀积后退火工艺研究

研究了淀积后退火(PDA)工艺(包括退火环境和退火温度)对高介电常数(k)HfO2栅介质MOS电容(MOSCAP)电学特性的影响.通过对比O2和N2环境中,不同退火温度下的HfO2栅介质MOSCAP的C-V曲线发现,高kHfO2栅介质在N2环境中退火时具有更大的工艺窗口.通过对HfO2栅介质MOSCAP的等效氧化层厚度(dEOT)、平带电压(Vfb)和栅极泄漏电流(Ig)等参数进一步分析发现,与O2环境相比,高kHfO2栅介质在N2环境中PDA处理时dEOT和Ig更小、Vfb相差不大,更适合纳米器件的进一步微缩.HfO2栅介质PDA处理的最佳工艺条件是在N2环境中600℃下进行.该优化条件下高kHfO2栅介质MOSCAP的dEOT=0.75 nm,Vnb=0.37 V,Ig=0.27 A/cm2,满足14或16 nm技术节点对HfO2栅介质的要求.     

基于循环退火技术的InGaAs/AlGaAs量子阱混杂

为了解决由于激光器腔面处的光吸收引起的腔面光学灾变损伤(COD),采用无杂质空位扩散(IFVD)法,研究了由SiO2电介质层诱导的InGaAs/AlGaAs量子阱结构的带隙蓝移。使用等离子化学气相沉积(PECVD)在InGaAs/AlGaAs量子阱的表面生长SiO2电介质层;然后采用IFVD在N2环境下进行高温退火实验,从而实现量子阱混杂(QWI)。实验结果表明:蓝移量的大小随退火时间和电介质层厚度的变化而变化,样品覆盖的电介质层越厚,在相同的退火温度下承受的退火时间越长,得到的蓝移量也越大。然而,在高温退火中的时间相对较长时,退火对量子阱造成的损坏相当大。高温短时循环退火,能够在保护量子阱晶体质量的同时实现QWI。通过在850℃退火6min下循环退火5次,得到了46nm的PL蓝移,且PL峰值保持在原样品的80%以上。     

高可靠抗辐射CMOS复合栅工艺

针对CMOS器件栅氧化层的早期失效问题,研究了化学气相沉积(CVD)氧化层/热氧化层的双层复合栅结构。对高温氧化(HTO)层、等离子体增强正硅酸乙酯(PETEOS)和低压正硅酸乙酯(LPTEOS)三种CVD氧化层进行了对比,从中优选HTO层作为复合栅的CVD氧化层,制备了一款专用集成电路(ASIC),并使用⁶⁰Co源γ射线对其进行3×10³ Gy(Si)总剂量辐照试验。结果表明,HTO/SiO₂复合栅能够满足电路的阈值电压、功耗、延时等参数要求,并具有较好的抗总剂量辐射性能。由于SiO₂层和HTO层中缺陷线的错位排列,避免了复合栅从HTO上表面到SiO₂下表面的漏电通路,明显减少了电路与栅氧化层相关的早期失效。HTO/SiO₂复合栅结构对于小尺寸(亚微米)CMOS和特种工艺器件的栅氧化层可靠性和抗辐射性能的提升具有一定的借鉴价值。     

含N超薄栅氧化层的击穿特性

研究了含N超薄栅氧化层的击穿特性.含N薄栅氧化层是先进行900C干氧氧化5min,再把SiO2栅介质放入1000C的N2O中退火20min而获得的,栅氧化层厚度为10nm.实验结果表明,在栅介质中引入适量的N可以明显地起到抑制栅介质击穿的作用.分析研究表明,N具有补偿SiO2中O3 Si@和Si3 Si@等由工艺引入的氧化物陷阱和界面陷阱的作用,从而可以减少初始固定正电荷和Si/SiO2界面态,因此提高了栅氧化层的抗击穿能力.     

含N超薄栅氧化层的击穿特性

研究了含 N超薄栅氧化层的击穿特性 .含 N薄栅氧化层是先进行 90 0℃干氧氧化 5 m in,再把 Si O2 栅介质放入 10 0 0℃的 N2 O中退火 2 0 min而获得的 ,栅氧化层厚度为 10 nm.实验结果表明 ,在栅介质中引入适量的 N可以明显地起到抑制栅介质击穿的作用 .分析研究表明 ,N具有补偿 Si O2 中 O3≡ Si·和 Si3≡ Si·等由工艺引入的氧化物陷阱和界面陷阱的作用 ,从而可以减少初始固定正电荷和 Si/ Si O2 界面态 ,因此提高了栅氧化层的抗击穿能力     

两步三氯乙烯薄栅氧化工艺

本文研究了两步三氯乙烯薄栅(～400)氧化工艺,作为制备符合HMOS-Ⅱ工艺所要求的400优质薄栅氧化层的一种新方法。其主要特点是:低温、低浓度三氯乙烯(TCE)的生长氧化,产生一个低缺陷密度的氧化层,然后再在O_2、N_2、TCE混合气氛中进行处理(分为高温处理和原温处理两种),这就改善了原有氧化层的结构完整性,提高了钝化能力。对不同的工艺条件进行了研究,结果表明两步三氯乙烯薄栅氧化工艺可形成高质量的薄氧化层。氧化层厚度控制在400±20范围,表面态密度≤1×10~(11)个/cm~2,平均击穿电场E≥9.5MV/cm,低场击穿有明显改善。氧化层钝化效应与第二步处理温度有关,高温处理钝化效应显著。     

快速热退火对热生长二氧化硅的影响

随着器件几何尺寸的缩小,将整个工艺过程中的扩散时间减至最小已变得日益重要。任何工序,如果所用的扩散时间长于必需的扩散时间,均将导致结深和非饱和扩散栅的控制变得困难。 快速热退火可用于注入活化、硅化物的形成、介质层的回流以及对某些与时间有明显依赖关系的工艺过程控制(如高温下栅氧化工艺)。 在本研究中,通过测量击穿电压、温偏应力C-V漂移、漏电流和缺陷密度等氧化膜参数,研究了源/漏快速热退火对栅氧化膜质量的影响。     

多晶硅后热退火引起SiO2栅介质可靠性下降的原因分析及其抑制方法

实验研究表明,多晶硅后的高温退火明显引起热SiO2栅介质击穿电荷降低和FN应力下电子陷阱产生速率增加．采用N2O氮化则可完全消除这些退化效应,而且氮化栅介质性能随着退火时间增加反而提高．分析认为,高温退火促使多晶硅内H扩散到SiO2内同Si—O应力键反应形成Si—H是多晶硅后SiO2栅介质可靠性退化的主要原因;氮化抑制退化效应是由于N“缝合”了SiO2体内的Si—O应力键缺陷．     

多晶硅后热退火引起SiO_2栅介质可靠性下降的原因分析及其抑制方法

实验研究表明 ,多晶硅后的高温退火明显引起热 Si O2 栅介质击穿电荷降低和 FN应力下电子陷阱产生速率增加 .采用 N2 O氮化则可完全消除这些退化效应 ,而且氮化栅介质性能随着退火时间增加反而提高 .分析认为 ,高温退火促使多晶硅内 H扩散到 Si O2 内同 Si— O应力键反应形成 Si— H是多晶硅后 Si O2 栅介质可靠性退化的主要原因 ;氮化抑制退化效应是由于 N “缝合”了 Si O2 体内的 Si— O应力键缺陷 .     

硅衬底注氮方法制备超薄SiO2栅介质

利用栅氧化前在硅衬底内注氮可抑制氧化速率的方法,制得3.4nm厚的SiO2栅介质,并将其应用于MOS电容样品的制备.研究了N 注入后在Si/SiO2中的分布及热退火对该分布的影响;考察了不同注氮剂量对栅氧化速率的影响.对MOS电容样品的I-V特性,恒流应力下的Qbd,SILC及C-V特性进行了测试,分析了不同氧化工艺条件下栅介质的性能.实验结果表明:注氮后的热退火过程会使氮在Si/SiO2界面堆积;硅衬底内注入的氮的剂量越大,对氧化速率的抑制作用越明显;高温栅氧化前进行低温预氧化的注氮样品较不进行该工艺步骤的注氮样品具有更低的低场漏电流和更小的SILC电流密度,但二者恒流应力下的Qbd值及高频C-V特性相近.     

硅衬底注氮方法制备超薄SiO2栅介质

利用栅氧化前在硅衬底内注氮可抑制氧化速率的方法,制得3.4nm厚的SiO2栅介质,并将其应用于MOS电容样品的制备.研究了N+注入后在Si/SiO2中的分布及热退火对该分布的影响;考察了不同注氮剂量对栅氧化速率的影响.对MOS电容样品的I-V特性,恒流应力下的Qbd,SILC及C-V特性进行了测试,分析了不同氧化工艺条件下栅介质的性能.实验结果表明:注氮后的热退火过程会使氮在Si/SiO2界面堆积;硅衬底内注入的氮的剂量越大,对氧化速率的抑制作用越明显;高温栅氧化前进行低温预氧化的注氮样品较不进行该工艺步骤的注氮样品具有更低的低场漏电流和更小的SILC电流密度,但二者恒流应力下的Qbd值及高频C-V特性相近.     

SiO2/4H-SiC界面氮化退火

通过1 300℃高温干氧热氧化法在n型4H-SiC外延片上生长了厚度为60 nm的SiO2栅氧化层.为了开发适合于生长低界面态密度和高沟道载流子迁移率的SiC MOSFET器件产品的栅极氧化层退火条件,研究了不同退火条件下的SiO2/SiC界面电学特性参数.制作了MOS电容和横向MOSFET器件,通过表征SiO2栅氧化层C-V特性和MOSFET器件I-V特性,提取平带电压、C-V磁滞电压、SiO2/SiC界面态密度和载流子沟道迁移率等电学参数.实验结果表明,干氧氧化形成SiO2栅氧化层后,在1 300℃通入N2退火30 min,随后在相同温度下进行NO退火120 min,为最佳栅极氧化层退火条件,此时,SiO2/SiC界面态密度能够降低至2.07×1012 cm-2·eV-1@0.2 eV,SiC MOSFET沟道载流子迁移率达到17 cm2·V-1·s-1.     

电子回旋共振氮等离子体氧化后退火对4H-Si CMOS电容TDDB特性的影响

SiC MOS器件氧化膜可靠性是SiC器件研究中的重要方面。本文对4H-SiC MOS结构进行电子回旋共振(ECR)氮等离子体氧化后退火工艺处理,采用阶跃电流经时击穿以及XPS分析的方法对其氧化膜稳定性进行了电学以及物理性质方面上的分析。经分析氮等离子体处理8min的样品击穿时间和单位面积击穿电荷量都有了明显提高,并且早期失效比率有了明显降低。实验结果表明,经过适当时间的处理,ECR氮等离子体氧化后退火工艺可以有效地降低界面缺陷的密度,提高界面处激活能,从而提高绝缘膜耐受电流应力的能力。     

高阈值电压低界面态增强型Al2O3/GaN MIS-HEMT

采用高温热氧化栅极凹槽刻蚀工艺并结合高温氮气氛围退火技术,制备出了高阈值电压的硅基GaN增强型Al_2O_3/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMT)。采用高温热氧化栅极凹槽刻蚀工艺刻蚀AlGaN层,并在AlGaN/GaN界面处自动终止刻蚀,可有效控制刻蚀的精度并降低栅槽表面的粗糙度。同时,利用高温氮气退火技术能够修复Al_2O_3/GaN界面的界面陷阱,并降低Al_2O_3栅介质体缺陷,因此能够减少Al_2O_3/GaN界面的界面态密度并提升栅极击穿电压。采用这两项技术制备的硅基GaN增强型Al_2O_3/GaN MIS-HEMT具有较低的栅槽表面平均粗糙度(0.24 nm)、较高的阈值电压(4.9 V)和栅极击穿电压(14.5 V)以及较低的界面态密度(8.49×10¹¹ cm^-2)。