摘要：對(duì)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(pecvd)法制成納米級(jí)sioxny，薄膜組成的mis結(jié)構(gòu)樣品，通過(guò)美國(guó)hp系列設(shè)備測(cè)試i-v特性、準(zhǔn)靜態(tài)及高頻c-v特性。分析了薄膜i/v特性、擊穿機(jī)理與各項(xiàng)電學(xué)性能：探討了膜的擊穿電場(chǎng)等電學(xué)參數(shù)以及擊穿電場(chǎng)隨反應(yīng)室氣壓、混合氣體比例、襯底溫度的變化關(guān)系；給出了擊穿等電性優(yōu)良的pecvd形成sioxny薄介質(zhì)膜的優(yōu)化工藝條件。
關(guān)鍵詞：等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積；薄介質(zhì)膜；i/v特性；擊穿機(jī)理；電學(xué)性能 中圖分類號(hào)：tn304．054：tn304．055 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1003-353x(2004)06-0071-05 1 引言 pecvd法是一種兼?zhèn)湮锢砥嗟矸e和化學(xué)汽相淀積特性的近代先進(jìn)制膜方法，它利用電能將能量耦合到反應(yīng)氣體中去，使氣體處于包含大量正、負(fù)離子的等離子態(tài)，從而使得許多高溫下進(jìn)行的反應(yīng)在較低溫度下實(shí)現(xiàn)。用該法制備納米級(jí)sioxny薄介質(zhì)膜，可使襯底處于較低溫度下(＜400℃)完成，適應(yīng)了當(dāng)前vlsi技術(shù)向低溫工藝方向發(fā)展的趨勢(shì)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界高度重視[1,2]。 近年來(lái)，pecvd法低溫形成薄柵介質(zhì)膜深受關(guān)注，獲取高質(zhì)量薄柵介質(zhì)膜及其物理電學(xué)特性研究已有報(bào)道[3,4]，文獻(xiàn)[5]對(duì)該法形成的sioxny薄膜與熱氧化薄介質(zhì)膜的特性進(jìn)行了比較。而尋求擊穿性能良好的介質(zhì)膜同樣一直是國(guó)內(nèi)外科技界重視的課題[6,7]。本文通過(guò)較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，圍繞pecvd法低溫形成納米級(jí)sioxny，薄介質(zhì)膜擊穿等電學(xué)特性開(kāi)展研究。 2 實(shí)驗(yàn) 該法形成薄膜實(shí)驗(yàn)中使用的是sih4，n2o及nh3組成的混合氣體系統(tǒng)，總的反應(yīng)過(guò)程表達(dá)式 隨著反應(yīng)室氣壓、混合氣體比例及襯底溫度的變化，sioxny薄膜中氮、氧含量變化，薄膜的質(zhì)量與表面狀況得到調(diào)節(jié)，從而調(diào)制著薄膜的擊穿等多方面電特性。 2．1 樣品制備 選用<100>晶向、五位錯(cuò)、長(zhǎng)壽命的硅拋光晶片(p型電阻率2-8ω·cm；n型電阻率7-12ω·cm)，硅晶片接受標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗，加上濃hno3煮、hf溶液(1：40)腐蝕，以期獲得良好的薄膜電學(xué)特性[7，8]。清洗后硅晶片置于英國(guó)dp-80型平板式pecvd反應(yīng)系統(tǒng)(13．56mhz，5w)低溫淀積形成納米級(jí)sioxny薄膜。反應(yīng)室系統(tǒng)導(dǎo)入比例可調(diào)的sih4、nh3、n2o混合氣體，適當(dāng)選擇反應(yīng)氣壓與低的襯底溫度，淀積時(shí)間選為幾分鐘，以保證形成膜厚在30nm左右。制成的膜經(jīng)干氧退火致密、電子束蒸鋁、鋁反刻，最后形成柵面積為0．04-0．64mm2的mis結(jié)構(gòu)樣品，在n2氣保護(hù)下退火合金化(450℃，30min)。 2．2 測(cè)試分析 對(duì)這種sioxny薄膜組成的mis結(jié)構(gòu)樣品，采用美國(guó)hp4155a參數(shù)分析儀測(cè)試i/v特性，分析薄膜擊穿機(jī)理；通過(guò)美國(guó)hp4140b及hp4280a測(cè)試儀進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)c-v及高頻c-v特性測(cè)試，求得膜的界面態(tài)密度、固定電荷密度等電學(xué)參數(shù)；借助日本aes-430s型分析儀器及美國(guó)nicoletl-70sx型紅外光譜儀分析膜的微觀組分分布；使用橢偏譜儀測(cè)量膜的折射率與厚度；應(yīng)用掃描電鏡分析膜的表面形貌；借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。 3 結(jié)果與討論 對(duì)于由sih4，和nh3(比例為10sccm：100sccm)混合氣體反應(yīng)物(n2o／(n2o+nh3)=0)，采用pecvd工藝制成的sioxny薄介質(zhì)膜，從測(cè)得的aes譜圖曲線及紅外吸收光譜圖[9]聯(lián)合分析判斷，形成的是富氮貧氧型薄膜，膜中組分均勻分布，氮原子約占55％，硅原子約占35％，氧原子占10%。橢圓光譜儀測(cè)試指出，研制成膜的厚度在30nm右，說(shuō)明研究的對(duì)象是納米級(jí)膜。 對(duì)大量實(shí)驗(yàn)中帶代表性薄膜樣品的結(jié)果進(jìn)行分析，僅改變反應(yīng)室氣壓，其他皆按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工藝形成薄膜樣品(以p-si襯底為例)，其中，7號(hào)樣品氣壓33．25pa；11號(hào)樣品氣壓39．90pa；2號(hào)樣品氣壓46.55pa；9號(hào)樣品氣壓53．20pa；10號(hào)樣品氣壓59.85pa。相
陳蒲生1，劉劍2，張昊3，馮文修1 | (1.華南大學(xué)應(yīng)用物理系，廣東 廣州 510640；2．廣東省郵電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510665;3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五研究所，廣東 廣州 510610) |
摘要：對(duì)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(pecvd)法制成納米級(jí)sioxny，薄膜組成的mis結(jié)構(gòu)樣品，通過(guò)美國(guó)hp系列設(shè)備測(cè)試i-v特性、準(zhǔn)靜態(tài)及高頻c-v特性。分析了薄膜i/v特性、擊穿機(jī)理與各項(xiàng)電學(xué)性能：探討了膜的擊穿電場(chǎng)等電學(xué)參數(shù)以及擊穿電場(chǎng)隨反應(yīng)室氣壓、混合氣體比例、襯底溫度的變化關(guān)系；給出了擊穿等電性優(yōu)良的pecvd形成sioxny薄介質(zhì)膜的優(yōu)化工藝條件。
關(guān)鍵詞：等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積；薄介質(zhì)膜；i/v特性；擊穿機(jī)理；電學(xué)性能 中圖分類號(hào)：tn304．054：tn304．055 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1003-353x(2004)06-0071-05 1 引言 pecvd法是一種兼?zhèn)湮锢砥嗟矸e和化學(xué)汽相淀積特性的近代先進(jìn)制膜方法，它利用電能將能量耦合到反應(yīng)氣體中去，使氣體處于包含大量正、負(fù)離子的等離子態(tài)，從而使得許多高溫下進(jìn)行的反應(yīng)在較低溫度下實(shí)現(xiàn)。用該法制備納米級(jí)sioxny薄介質(zhì)膜，可使襯底處于較低溫度下(＜400℃)完成，適應(yīng)了當(dāng)前vlsi技術(shù)向低溫工藝方向發(fā)展的趨勢(shì)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界高度重視[1,2]。 近年來(lái)，pecvd法低溫形成薄柵介質(zhì)膜深受關(guān)注，獲取高質(zhì)量薄柵介質(zhì)膜及其物理電學(xué)特性研究已有報(bào)道[3,4]，文獻(xiàn)[5]對(duì)該法形成的sioxny薄膜與熱氧化薄介質(zhì)膜的特性進(jìn)行了比較。而尋求擊穿性能良好的介質(zhì)膜同樣一直是國(guó)內(nèi)外科技界重視的課題[6,7]。本文通過(guò)較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，圍繞pecvd法低溫形成納米級(jí)sioxny，薄介質(zhì)膜擊穿等電學(xué)特性開(kāi)展研究。 2 實(shí)驗(yàn) 該法形成薄膜實(shí)驗(yàn)中使用的是sih4，n2o及nh3組成的混合氣體系統(tǒng)，總的反應(yīng)過(guò)程表達(dá)式 隨著反應(yīng)室氣壓、混合氣體比例及襯底溫度的變化，sioxny薄膜中氮、氧含量變化，薄膜的質(zhì)量與表面狀況得到調(diào)節(jié)，從而調(diào)制著薄膜的擊穿等多方面電特性。 2．1 樣品制備 選用<100>晶向、五位錯(cuò)、長(zhǎng)壽命的硅拋光晶片(p型電阻率2-8ω·cm；n型電阻率7-12ω·cm)，硅晶片接受標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗，加上濃hno3煮、hf溶液(1：40)腐蝕，以期獲得良好的薄膜電學(xué)特性[7，8]。清洗后硅晶片置于英國(guó)dp-80型平板式pecvd反應(yīng)系統(tǒng)(13．56mhz，5w)低溫淀積形成納米級(jí)sioxny薄膜。反應(yīng)室系統(tǒng)導(dǎo)入比例可調(diào)的sih4、nh3、n2o混合氣體，適當(dāng)選擇反應(yīng)氣壓與低的襯底溫度，淀積時(shí)間選為幾分鐘，以保證形成膜厚在30nm左右。制成的膜經(jīng)干氧退火致密、電子束蒸鋁、鋁反刻，最后形成柵面積為0．04-0．64mm2的mis結(jié)構(gòu)樣品，在n2氣保護(hù)下退火合金化(450℃，30min)。 2．2 測(cè)試分析 對(duì)這種sioxny薄膜組成的mis結(jié)構(gòu)樣品，采用美國(guó)hp4155a參數(shù)分析儀測(cè)試i/v特性，分析薄膜擊穿機(jī)理；通過(guò)美國(guó)hp4140b及hp4280a測(cè)試儀進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)c-v及高頻c-v特性測(cè)試，求得膜的界面態(tài)密度、固定電荷密度等電學(xué)參數(shù)；借助日本aes-430s型分析儀器及美國(guó)nicoletl-70sx型紅外光譜儀分析膜的微觀組分分布；使用橢偏譜儀測(cè)量膜的折射率與厚度；應(yīng)用掃描電鏡分析膜的表面形貌；借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。 3 結(jié)果與討論 對(duì)于由sih4，和nh3(比例為10sccm：100sccm)混合氣體反應(yīng)物(n2o／(n2o+nh3)=0)，采用pecvd工藝制成的sioxny薄介質(zhì)膜，從測(cè)得的aes譜圖曲線及紅外吸收光譜圖[9]聯(lián)合分析判斷，形成的是富氮貧氧型薄膜，膜中組分均勻分布，氮原子約占55％，硅原子約占35％，氧原子占10%。橢圓光譜儀測(cè)試指出，研制成膜的厚度在30nm右，說(shuō)明研究的對(duì)象是納米級(jí)膜。 對(duì)大量實(shí)驗(yàn)中帶代表性薄膜樣品的結(jié)果進(jìn)行分析，僅改變反應(yīng)室氣壓，其他皆按常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工藝形成薄膜樣品(以p-si襯底為例)，其中，7號(hào)樣品氣壓33．25pa；11號(hào)樣品氣壓39．90pa；2號(hào)樣品氣壓46.55pa；9號(hào)樣品氣壓53．20pa；10號(hào)樣品氣壓59.85pa。相
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