书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：SiO2薄膜对硅界面退化
编号：JFKJ-21-
作者：炬丰科技
摘要
已表明氢硫化硅的高温退火可蚀刻和柔化其表面。我们尝试使用几种电测量来描述这种粗糙度的程度和它发生的时间尺度：过量的直接隧道电流、介电击穿和Fowler-Nordheim隧道电流的振荡。根据这些结果，我们得出了预氧化退火对Si/SiO2界面显微粗糙度的时间和水含量依赖性的结论。
介绍
ULSI技术设计规则的不断缩小将更多的注意力集中在非常薄的-50A钝化Jims上。一些对于较厚的绝缘膜被认为可以忽略不计的不利现象对于硫醇膜变得至关重要。众所周知，Si/SiO2界面处的微观粗糙度会严重降低绝缘层的电气特性。最近表明2表面准备和预氧化环境条件可以改变硅的表面形态和金属氧化物半导体(MOS)电容器中氧化物的绝缘完整性。
实验性的
样品制备：对单面抛光、轻度和简并掺杂的p型Si()晶片进行RCA清洁，然后在浓氢氟酸(HF)中浸泡10秒。一些样品在不同pH值的缓冲氢氟酸(BHF)溶液中进行了5分钟的处理。该工艺为晶片留下了一个干净的氢终止表面，可以抵抗自然氧化物的生长6。所有溶液均为MOS级，样品在成膜前用去离子水冲洗。样品在N2中吹干并装入炉子的端盖中。退火和氧化在双壁熔融石英水平管式炉中进行。高纯度气体以-4.71/min的流速混入炉内。努力保持管子密封，气体流经湿度计，以避免含氧杂质回流。干氧化是在H2O浓度小于3ppmV的情况下进行的。所有氧化均在-latm下进行。压力和℃。薄膜生长后，将样品在O2中快速拉到端盖以在惰性环境中冷却。薄膜厚度通过椭圆光度法测定。面积为-8-10”4cm2的金属栅极通过在”7托的基础压力下以25A/s的速度蒸发-A的铝而通过荫罩沉积。没有后元]退火（NPMA）。
结果和讨论
主要的传输机制如图1所示。在低偏压(1V)下，根据高斯定律测量小而恒定的位移电流Id。在分析之前从IV曲线中减去Id。在高偏置下，对于质量好的薄膜，电流由Fowler-Nordheim(FN)型传导支配。当栅极的费米能级升高到高于衬底/绝缘体功函数电位时，蝠鲼电子可以穿过三角形势垒（图2）进入绝缘体导带。这种传输由方程描述。
使用Io作为界面粗糙度的定性度量器，我们检查了预氧化退火对硅表面的影响。我们在轻掺杂和退化掺杂的p-Si()上生长了几个系列的氧化物。最终BHF浸渍的pH值在-1到9之间变化。描述Io对PreOxA时间依赖性的典型数据集如图3所示。根据数据（实线）的拟合，并考虑在从数据来看，Io似乎与退火时间无关。
变化对这些结果没有显着影响（数据未显示）。
在干燥(3ppmV)环境中接受PreOxA的样品的AD表现出低介电击穿，击穿场Fb与PreOxA的长度和样品制备无关。众所周知，由于将电荷注入绝缘体所造成的损坏，介电击穿会加速。如果阳极界面包含导致表面突起的微粗糙度，由于这些粗糙处的场增强，注入的电荷将局部增加。因此，界面越粗糙，表观击穿场越低。
图5.FN隧道电流中的量子振荡。由于界面异常引起的阻尼振荡。
概括
通过使用电学方法，我们研究了惰性气体中的高温退火对干净硅晶片的表面形态的影响。我们得出结论，这种预氧化退火使Si/SiO界面。这种退化似乎导致界面处的微粗糙度。这体现在增强的直接隧道电流、较低的介电击穿场和FN隧道电流中的量子振荡阻尼。这种退化发生在很短的时间范围内，并且似乎达到了稳定状态，与退火时间无关。在退火过程中加入小浓度的H2O降低了这些影响，并导致MOS结构具有优异的电气特性。