栅氧讨论(重要)

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zhanghuakang 发表于: 2008-7-16 09:10 来源: 半导体技术天地
VDMOS栅氧氧化工艺的研究
VDMOS栅氧氧化工艺的研究
摘要
为VDMOS栅氧工艺改进提出试验依据，通过了解氧化层的击穿机理和制备方法，以及收集mos电容耐压的测试结果，以提供合适的栅氧工艺。

关键词：栅氧、击穿、MOS电容、再分布、
Abstract：
For offer impr oving G_OX(gate oxide) technic of VDMOS’s basis, by discussing breakdown principle and facure process of oxide-layer, and collecting the rearults of testing MOS’s capacitance breakdown voltage, to provide fitting G_OX(gate oxide) technic.
Key Words：G_OX(ga te oxide), breakdown, MOS’s capacitance, second’s distributing
前言
随着微电子产业，超大规模集成电路的飞速发展，MOS器件的尺寸在不断的减小。

在器件尺寸等比缩小的同时，工作电压却没有相应的等比缩小，这就使得薄栅氧化层中的电场强度增大，器件的击穿电压降低，直接影响了器件的可靠性。

因此，薄栅氧化层的击穿问题已经成为阻碍集成电路进一步发展的主要因素之一。

如何改善栅氧化层的质量，提高器件电路的可靠性，已经成为当今微电子领域非常热门的话题之一。

栅氧氧化层击穿机理：
1 ．SiO2击穿现象
Si02在施加高场时会发生致命击穿，根据击穿场强的大小可分成三种情形
(1)击穿场强在8-12MV／cm称为本征击穿。

发生本征击穿时SiO2无缺陷。

(2)击穿场强<1MV／cm，SiO2存在巨大缺陷，例如针孔。

(3)击穿场强在2~6MV／cm，正常工作条件下会发生击穿。

2．SiO2本征击穿的物理模型
空穴产生和陷阱模型(hole generation and trap-ping model)
该模型认为：由于FN(Fowler-Nordheim)隧道效应，有许多高能电子注入到SiO2导带，这些电子在SiO2中的电场作用下到达阳极并获得一定动能，一些高能电子在SiO2中碰撞产生电子空穴对，同时SiO2本身存在一些缺陷，如Si的悬挂键、杂质、微孔，这些区域成为吸附中心，空穴在这儿被俘获。

随着正电荷在缺陷处的积累，隧道电流不断增加，当某点的氧化陷阱电荷密度Qot+达到临界值时，隧道电流突然增加发生击穿。

3．电子晶格损伤模型(electron lattice damagemodel) 晶格损伤模型认为：FN电子隧人SiO2导带，被SiO2中电场加速，在到达阳极时具有最大能量，能量在阳极附近释放形成原子型缺陷，如Si-O键的打破。

这些缺陷带正电，可以吸收新的注入电子。

遵循这种机理，缺陷在SiO2中长大，从阳极往阴极形成通路。

开始是大量的小缺陷，其中最大的缺陷生长最快。

它们也横向长出枝干，很象一棵树。

在通路完全形成后，电容通过这条通路放电，将SiO2击穿。

热生长氧化膜的制备
1．干氧氧化：在高温下当氧气与硅片接触时，氧分子与表面的硅原子反应生成二氧化硅起始层，其反应式为：SI + O2 = SIO2
这种氧化方式制备的氧化层特点是：结构致密，但是氧化速度慢：表面是非极性的硅烷（SI—O—SI）结构，所以与光刻胶的粘附良好，不易产生俘胶现象。

2．氢氧合成氧化：在常压下，把高纯的氢和氧通入石英管内，使之在一定的温度下燃烧生成水，水在高温下气化，然
后水汽与硅反应生成SIO2
其反应式为：H2 + O2 = H2O
2H2O + SI = SIO2 + H2
这种氧化方式制备的氧化层特点是：结构疏松，但是氧化速度快，质量不如干氧氧化的好，特别是氧化层表面是极性的硅烷醇，它她极易吸附水，所以与光刻胶的粘附性差。

3．掺氯氧化：是继上述两种氧化方法之后出现的一种热氧化方式，即在干氧或湿氧中添加少量的氯化氢、三氯乙烯或含氯的气态物，比较常用的是氯化氢。

在生成二氧化硅的同时，氯结合在氧化层中，并集中分布在SIO2—SI界面的SIO2一侧。

其反应式为：4HCL + O2 = 2CL2 + 2H2O
2H2O + SI = SIO2 + 2H2
氯在界面的结构型式：
掺氯氧化有如下主要作用：
(1)可吸收、提取硅中有害的杂质：这是因为高温下氯可以和包括钠在内的多种金属杂质作用，生成挥发性的化合物，从反应室中排除的缘故。

(2)集中分布在SIO2—SI界面附近的氯还能使迁移到这里的钠离子的正电荷效应减弱并陷住不动，从而使其丧失电活性和不稳定。

(3)氯填补氧空位，所以膜层中的固定电荷和界面态密度也会降低。

综合考虑上述各种氧化方法的优越点，在生产实际中，硅片的热氧化过程一般是：首先，用含氯的干氧清洗炉管：然后，采用干氧（或含氯）→湿氧（或含氯）→干氧（或含氯）的交替氧化方式。

热生长氧化硅中的电荷
理想的氧化层中不存在电荷，也不存在界面陷阱。

而实际热氧化的SIO2却存在以下几种电荷，这些电荷都会影响到栅氧的质量，所以在热氧化中要尽可能的降低电荷和界面态。

(1)固定氧化物电荷Qf
固定氧化物电荷（早期较表面态Qss）带正电，位于SI—SIO2 界面25Å以内的氧化层（过渡区）中。

一般认为固定电荷起源于氧化过程，由过剩硅（或氧空位）引起。

其密度与氧化温度、氧化气氛、冷却条件和退火处理有关，也与硅的取向有关。

(2)可动离子电荷Qm
SIO2中可动离之主要是带正电荷的碱金属离子，也有可能是氢离子。

(3) SI—SIO2界面陷阱电荷Qit
界面陷阱（快表面态、界面态）是SI—SIO2界面处，硅禁带中的一些能量状态。

(4)氧化物陷阱电荷Qot
氧化物陷阱电荷是氧化物中陷住的电子或空穴。

有两种氧化物陷阱电荷。

一类是电离辐射引起的，另一类是热载流子引起的热氧化过程中杂质的再分布
掺有杂质的硅热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，将在界面两边的硅中和二氧化硅中发生再分布。

决定杂质再分布的主要因素有以下几个方面：1、杂质的分凝现象。

2、杂质通过SIO2表面逸散。

3、氧化速率的快慢。

4、杂质在SIO2种的扩散速度。

掺有杂质的硅在热氧化过程中，存在于硅中的杂质将在SI—SIO2界面两侧发生重新分配。

分凝系数M定义为不同杂质在SI—SIO2系统中的分凝系数是不同的。

磷的分凝系数为10左右。

硼在SI—SIO2系统中的分凝系数随温度上升而增大，而且还与晶面取上有关，（100）面的分凝系数系数在0.1―――1之间。

由分凝系数定义可知，对于M<1的杂质，经热氧化后，杂质在SIO2一侧的浓度高于硅中的浓度。

对于M>1的杂质，经热氧化后，杂质在SIO2一侧的浓度低于硅中的浓度，即二氧化硅有吸硼排磷的作用。

热氧化后杂质在SI—SIO2界面的分配情况如图所示
图(1) 硼图（2）磷
栅氧加工工艺的提出
图（3）VDMOS结构图
随着VDMOS工艺不断的成熟，栅氧的氧化工艺为温度1000℃：加工条件为采用干氧（含氯）的氧化方式，栅氧膜厚为800Å时，栅源间的耐压Vgs保持在55伏左右，且韧性较差。

有SiO2击穿现象可知栅氧氧化层击穿场强小于8MV／cm不是本征击穿,同时还发现当栅氧氧化层的膜厚为300Å时，测试Vgs时，Vgs的输出曲线类似于PN结的输出曲线，如图所示
图（四）Vgs异常输出曲线图（五）正常的Vgs输出曲线
且耐压很低在几左右伏。

通过制品的流程可以发现在栅氧氧化前进行了P+注入，注入条件为：能量为80KEV、剂量2E15、注入类型为P型杂质（硼）。

P+注入后表面杂质浓度较浓，经过高温氧化后，有热氧化过程中杂质的再分布理论可知在二氧化硅一侧硼的含量很高，硼在二氧化硅中的含量增加同时有可能穿透二氧化硅，导致二氧化硅的导电类型发生变化，形成P型导电层；栅氧上面的多晶硅是N型导电层。

两种不同类型的导电层相接触就有可能形成PN结，同时B（硼）含量的增加也会导致二氧化硅中电荷和界面陷阱增加，两方面的影响就可能导致Vgs的曲线发生异常和耐压偏低。

针对P+注入对栅氧化层耐压的影响，我们必须找到更为合理的栅氧热氧化工艺，来提高栅源耐压Vgs。

试验方案和数据分析
本次试验中应用的器件为MOS电容（如图示），
图（6）MOS电容
介质厚度为800Å，衬底采用﹤100﹥方向的P型材料、电阻率为15～25，选用的衬底样片按照P+的要求进行注入。

MOS电容的制备方法为：(1)选择试验的热氧化方式氧化；(2)溅射10000 Å；(3)用C-V版光刻；(4)刻蚀；(5)背面去除氧化膜；(6)合金。

耐压有中测测试，测试的标准为当漏电流达100na时所加的电压。

统计方法使用直方图提取出现频率最高的数值。

A、确认P+注入对栅氧质量的影响，安排下面三个实验方案：
(1)注入过的P﹤100﹥样片直接进行热氧化：热氧化的条件为1000℃干氧（含氯）。

(2)注入过的P﹤100﹥样片首先在1000℃气氛为氮气的条件下退火30分钟，然后在氧化，氧化条件相同。

(3)使用标准的P型﹤100﹥样片，没有进行P+注入。

数据的统计结果为
试验方案热氧化温度是否进行退火氧化条件耐压统计
1 1000 否干氧（含氯） 53.5
2 1000 是66.75
3 1000 没注入、没退火65.5
通过这三个方案的比较可以很明显的看出，栅氧前的P+注入确实影响了栅氧氧化层的质量，而热氧化前先进行一步退火，对栅氧化层的耐压有一定的改善。

通过制品的流水发现Vgs的耐压提高到了60～65之间，可以说这个改善非常有效，但是在批量的流水中发现Vgs的韧性时好时坏不太稳定。

对整个的VDMOS工艺来说，P+的位置是不能变更的，我们仅能通过改变栅氧的热氧化工艺来改善栅源间的耐压。

B、影响杂质再分布的因素可知，温度的影响不可忽视，安排下面六种方案，进行对比：
针对温度的变化安排以下试验方案：
试验方案热氧化温度热氧化前是否进行退火氧化条件耐压统计
1 1000 否干氧（含氯） 53.5
2 1000 是69.75
3 950 否68.46
4 950 是67.8
5 1050 否53.65
6 1050 是68.66
干氧（含氯）这种氧化条件，在不同温度下并没有改善MOS电容的耐压，但是在高温下氧化前的退火显得尤为重要。

所以我们必须继续探讨热氧化工艺。

C、变更温度和氧化工艺条件的比较。

试验方案热氧化温度热氧化前是否进行退火氧化条件耐压统计
1 1000 否干氧（含氯）53.5
2 1000 是69.75
3 850 否氢氧合成（含氯） 70.03
4 850 是72.12
通过本次试验发现850℃的湿氧工艺在耐压方面有一定的提高，是一个较好的选择。

但是要通过实际的制品才能有更好的说服力。

针对850℃的湿氧工艺和1000℃的干氧工艺的在制品中的流水比较。

a、试验批次统计数据
温度批次测试点数 Vgs（V） Vgs韧性差点数 Vgs韧性差点数
1000 3 60 61.7 31 51.7%
850 3 45 64.7 13 28.9%
b、量产批次统计数据
温度批次测试点数 Vgs（V） Vgs韧性差点数 Vgs韧性差点数 Vgs<60V Vgs>60 1000 15 300 64.4 28 7.7% 20.9% 79.1% 850 8 160 65 8 5% 7.8% 92.2%
通过试验批和量产批次在Vgs方面的比较850℃湿氧的热氧化工艺加工的栅氧表现出更好的电学参数。

大批量制品的流水同样也验证了850℃的湿氧工艺优点，耐压值在64～68之间，且韧性较好。

这种热氧化工艺目前在VDMOS 工艺中得到了广泛的使用。

通过上面几种试验方案的比较可以发现在低温下，热氧化前的退火的作用并不十分明显，这种现象给我们指明如热氧化工艺选择合适，氧化前的退火可以除掉。

结合现有的氧化工艺并加入新的元素，提出下面的热氧化工艺。

试验方案热氧化温度热氧化前是否进行退火氧化条件耐压统计
1 900 否氢氧合成+氢氧合成（含氯） 76.7
2 900 是氢氧合成+氢氧合成（含氯） 73
3 900 否氢氧合成（含氯） 72
4 900 是氢氧合成（含氯） 70
通过测试元件的耐压发现：
a、氧化前的退火并没有提高MOS电容的耐压，反而带来了不良的影响。

b、试验方案1 的氧化条件在耐压方面有明显的提高。

c、整个氧化工艺时间较短。

针对加工温度为900℃，热氧化工艺在制品中流水方案的安排如下:
a、从5个批次中各抽去两片，这两片在栅氧前不进行1000℃、30分钟氮气退火。

b、不进行退火的两片使用900℃氢氧合成+干氧（含氯）试验方案。

制品流水结果如下：
温度测试片数测试点数 Vgs（V） Vgs韧性差点数 Vgs韧性差点数 Vgs<60V Vgs>60 900 10 50 65.5 6 12% 5% 95% 850 10 50 65 5 10% 4.5% 95.5% 同时中测成品率的统计也显示，试验片的成品率和整批的成品率没有任何差别。

从制品的流水可以发现，新提出的试验方案在提高Vgs方面没有更好改善，但是可以减少氧化前的退火和栅氧整个加工工艺时间，在加工栅氧这一道工艺上可以较少加工成本，也同样有它本身的优点。

结束语
本文通过制备mos电容，改变电容介质制备工艺，并测试其耐压，为VDMOS的栅氧的制备提供工艺试验依据。

同时也证明了单道工艺P+注入对栅氧质量的影响，为弥补P+注入的影响，栅氧的制备工艺应该满足下面两个条件：1、热氧化温度要低。

2、氧化速度要快。

参考文献
半导体工艺原理
电子工业生产技术手册。