（微电子学与固体电子学专业论文）离子注入对4hsic+mos界面特性影响的研究.pdf

摘要 摘要 s i c 材料由于在高温、高频、尤其是在大功率和高辐射条件下仍有着非常优 越的性能，因此被认为是很有潜力的第三代半导体材料；同时，s i c 材料另一个 优点是除了s i 材料之外它是唯一能够通过热氧化生长s i 0 2 的半导体。然而遗憾 的是，由于s i c 材料固有的特性和工艺的不成熟，以致于s i 0 2 s i c 的界面质量远 没有s i 0 2 s i 的界面质量好，表现为界面态密度和氧化层陷阱密度过高。而这些因 素是导致沟道迁移率低和l f 噪声高的主要原因。 本文针对n 型4 h s i cm o s 电容s i 0 2 s i c 界面态密度和氧化层陷阱密度过高 的问题，采用注入n + a i + 离子，来实现界面处的除碳和氮化，达到降低界面态密 度和氧化层陷阱密度的目的。基于现有工艺条件制作了三种不同工艺的样品，分 别是：直接湿氧氧化和退火处理；先注入盯离子，再湿氧氧化和退火处理工艺； 先同时注入n + a i + 离子，再湿氧氧化和退火处理工艺。 本文通过对三种不同工艺制备的样品进行了c v 测试和i v 测试。利用高 低频c v 法计算了样品的界面态密度，结果降低到1 0 1 1 c m 也e v 以的量级，达到了 预期的实验目的。实验结果表明氧化前注入矿离子对实现s i 0 2 s i c 界面的除碳 和氮化具有显著效果，较大程度上降低了界面态密度；同时由于湿氧中的水蒸气 在氧化层中引入了很多负电荷，补偿了注入n + 离子所带来的正电荷，得到较小的 平带电压。实验结果还表明氧化前注入舢+ 离子会轻微的提高s i 0 2 s i c 的界面态 密度，但是会较好的降低氧化层陷阱密度。最后，本文通过对样品的i v 特性进 行讨论，认为离子注入会引起氧化层致密性降低以及氧化层击穿特性的变差。 关键词：界面态离子注入c v 特性湿氧氧化 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c y , h i g h p o w e ra n dh i g hr a d i a t i o nc o n d i t i o n ，s i ci sc o n s i d e r e da sap o t e n t i a l “t h i r dg e n e r a t i o n m a t e r i a l a n di ti sa l s ot h eo n l yc h e m i c a lc o m p o u n d ，w h i c hc a ng r o wn a t u r a lo x i d e d i e l e c t r i c b u t , b e c a u s eo fi n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i ca n dl a g g i n gp r o c e s st e c h n o l o g y , t h e i n t e r f a c es t a t e sd e n s i t yo fs i 0 2 s i ci sf a rh i g h e rt h a ns i 0 2 s im o s f e t s t h i si sm a i n c a u s eo ft h el o wc h a n n e lm o b i l i t ya n dh i g h1 fn o i s e i nt h i st h e s i s ，t h em a j o rw o r ki s t or e d u c et h ei n t e r f a c es t a t e sd e n s i t yo fs i 0 2 s i cb yo p t i m i z i n gt h em o s t e c h n o l o g y f o c u s i n go ns i cm o sc a p a c i t a n c e t h em o sp r o c e s si s f i r s t l yi n v e s t i g a t e db a s e do nc u r r e n tc o n d i t i o n t h r e e d i f f e r e n tm o sc a p a c i t a n c e sa r ef a b r i c a t e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fv a l i d i t ya n d s i m p l i c i t y t h e s ei n c l u d ef i r s ts a m p l eb yw e to x i d a t i o na n da n n e a l i n gi nn 2a t m o s p h e r e ， s e n c o n ds a m p l eb yi o ni m p l a n t a t i o nw i t hn i t r o g e n ，w e to x i d a t i o na n da n n e a l i n gi nn 2 a t m o s p h e r e ，a n dt l l i r ds a m p l eb yi o ni m p l a n t a t i o n 晰t l ln i t r o g e n a l u m i n i u m , w e t o x i d a t i o na n d a n n e a l i n g i nn 2a t m o s p h e r e t h ec - va n di - vc h a r a c t e r i s t i e so ft h es i cm o s c a p a c i t o rf a b r i c a t e da b o v ea r e a l s om e a s u r e da n da l s oa n a l y s e d i n t e r f a c es t a t a e sd e n s i t yo fa l lt h es a m p l e si so b t a i n e d b yq u a s i - s t a t i cc - vm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e i m p l a n t e dw i t hn i t r o g e n p r i o rt ow e to x i d a t i o nc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n t e r f a c es t a t e sd e n s i t yo fs i 0 2 s i c t ot h en u m b e rm a g n i t u d eo f1 0 1 1 c m 之e v 一l a r g en e g a t i v ec h a r g e si n t r o d u c e db yw e t o x i d a t i o na l s oc o u l dc o m p e n s a t et h ep o s i t i v ec h a r g ei n f u s e db y 旷i o n s ，w h i c hr e d u c e t h ef l a t b a n dv o l t a g e 1 1 1 ed e n s i t yo fo x i d et r a p p e dc h a r g e si sa l s oc a l c u l a t e db yh i 曲 f r e c q u e n c yc vw i t hh y s t e r e s i s 1 1 1 eo u t c o m e sd e m o n s t r a t et h a ta 1i m p l a n t a t i o np r i o r t oo x i d a t i o nc o u l ds l i 曲t l yr a i s e di n t e r f a c es t a t e sd e n s i t y , b u tc o u l de f f e c t u a l l yr e d u c e t h eo x i d et r a p p e dc h a r g e sd e n s i t y f i n a l l y , i vc h a r a c t e r i s t i c so fa l lt h es a m p l e sa r e a l s od i s c u s s e d i o ni m p l a n t a t i o nw i l lw o r s e nt h ec o m p a c t n e s so fs i 0 2a n dd e c r e a s e b r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l e s k e y w o r d s ：i n t e r f a c es t a t e si o ni m p l a n t a t i o nc - v p r o p e r t y w e to x i d a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人繇至锤莲 本人承担一切的法律责任。 日期；型应，：王2 l 一 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技 大学。 本人签名：王锈砭 导师签名： 日期：功儿； 日期! 坠! q ! 呈眨 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 材料特性及其研究意义 长久以来，s i 材料一直在半导体领域占据着主导地位，并应用于高温、高频 电路当中。但随着技术的进步和应用领域的扩展，s i 基器件越来越难以胜任更苛 刻的环境和更高性能的要求，于是人们把目光转向宽禁带半导体。s i c 材料被认 为是很有潜力的第三代半导体材料，鉴于它在比较苛刻的条件下，比如高温、高 频、尤其是在大功率和高辐射条件下仍有着非常优越的性制，因此在未来的航 空航天、通讯、电力、军事等应用领域有着比其他半导体材料更为广阔的应用前 景。 s i c 材料是一种典型的同质多型体，到目前为止，已经发现了两百种以上的 多型体结构。研究较多的s i c 多型体有3 c 、4 h 、6 h 和1 5 r 型s i c t 2 1 。不同的型 号分别代表不同的c s i 原子层堆垛结构1 3 j ，构成不同的碳化硅多型体。其中的c 、 h 、r 分别代表立方堆积的闪锌矿结构、六角密堆积的纤锌矿结构和菱形结构。 字母前的数字表示密排方向每一堆垛周期中的c s i 原子层数目。比如3 c 表示三 层c s i 层组成一个周期的闪锌矿结构，同理，4 h 和6 h 分别表示四层和六层c s i 原子层组成一个周期的纤锌矿结构和菱形结构。 表1 1 比较了室温下s i c 的三种多型体结构、g a a s 、以及s i 的材料特性。可 以看出，s i c 材料比其他半导体材料有着更好的材料性能，s i c 材料的宽禁带使其 可以在更高的温度条件下( 5 0 0 以上) 工作，4 h 型在室温下的能带宽度约为 3 2 6 e v ，这样的禁带宽度可以使得s i c 材料用来制作蓝光二极管；高临界击穿场 强可以允许器件工作在高压、高功率的条件下；s i c 较高的临界移位能【4 】 ( 4 5 - 9 0 e v ) 使其具有更高的抗电磁波冲击和抗高能辐射能力，比其他半导体材 料更适合应用于高辐射环境下的航空、核能领域；高的饱和电子漂移速度决定了 器件的高频性能，使其可以应用在射频和微波电路；高热导率使得s i c 电路导热 性好，这可以减小散热系统的体积，提高电路的集成度，降低成本开支。另外， s i c 材料是宽禁带半导体中唯一能够热氧化生长s i 0 2 的半导体，这就使得制备良 好性能的s i c 基的m o s 器件成为可能，并能够很好的与s i 工艺兼容，这是s i c 工艺上的一个天然优势。 鉴于s i c 材料的巨大潜在优势，从上世纪9 0 年代起，更多的资金和科研人员 投入了对s i c 材料、工艺及器件的研究，并在s i c 晶体生长技术、关键器件的工 艺、s i c 光电器件开发等方面取得了巨大的突破，为s i c 器件和电路的广泛应用 2 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 奠定了坚实的基础。 表1 1 室温下s i c 、s i 及g a a s 材料性质比较 材料 s i cs ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s i c 禁带宽度( e v ) 3 2 63 02 31 1 21 4 3 本证载流子浓度 8 2 1 0 母2 3 1 0 66 91 5 x1 0 l o1 8 1 0 6 n i ( e r a 3 ) 临界击穿电场2 2 x 1 0 62 4 1 0 64 x1 0 62 5 1 0 53 0 x1 0 5 ( v c m ) 热导率 3 o 0 83 0 3 83 o 5 01 50 5 ( w e r a k ) 饱和速度( c m s ) 2 1 0 7 2 1 0 72 5 1 0 71x1 0 7 1x1 0 7 介电常数 9 79 7 9 71 1 91 3 1 溶点( ) 2 1 0 0 ( 升华) 2 1 0 0 ( 升华) 2 1 0 0 ( 升华) 1 6 9 01 5 l o 电子迁移率 ( c m 2 n s ) c 轴：8 0 0c 轴：6 07 5 01 2 0 06 5 0 0 n o = 10 1 6 c m 。3 - lc 轴：8 0 0上c 轴：4 0 0 德拜温度( k )1 2 0 0 1 4 3 012 0 0 1 4 3 01 2 0 0 1 4 3 06 5 0 抗辐射特性 1 0 5 1 0 5 1 0 5 ( w c m 2 ) 1 2s i c 工艺及m o s 器件研究现状 s i c 是唯一能够通过热氧化生长s i 0 2 的宽禁带半导体，高性能s i c 基的m o s 器件是s i c 器件研究的一个重要方向。目前就有许多研究希望能够利用简单廉价 的s i 工艺来设计和制作高性能的s i cm o s 器件。不过，s i c 材料固有的特性，需 要对常规的s i 工艺进行修正和完善。下面就简要的介绍一下s i c 器件制作的相关 工艺。 ( 1 ) s i c 掺杂 掺杂工艺是半导体工艺中非常重要的工艺之一，在s i 工艺中，常用的掺杂方 法有热扩散、离子注入以及材料生长过程中的掺杂。由于s i c 材料的特殊性，即 杂质在其中的扩散系数非常地低，即便是在较高的温度下扩散也非常的不明显， 这使得s i 工艺中应用最多的杂质热扩散技术在s i c 工艺中并不适用。 第一章绪论 要在s i c 工艺中进行掺杂只能采用离子注入。p s i c 通过注入v 族元素( n 、 p 、s b 等) 来获得n 型掺杂【5 】_ 【7 j ；而在n s i c 中注入i i i 族元素( b 、g a 等) 的效 果并不理想，注入所得到的都是高阻区，而不是预期的p 型掺杂区，仅注入a l 可得到较好的p 型掺杂区域【8 1 4 9 1 。在离子注入过程中，在s i c 的表面和体内会引 入损伤，同时，离子注入的活化率也非常低。需要通过激光或者1 3 0 0 1 7 0 0 的高温来进行重结晶退火和离子活化【l o l 。 ( 2 ) s i c 的氧化 s i c 材料是唯一一种可以直接氧化生长s i 0 2 薄膜的宽禁带半导体，现在使用 最多的就是通过高温干氧或湿氧的热氧化方法来生长s i 0 2 薄膜，并且热氧化工艺 获得s i 0 2 薄膜和界面特性的质量是最好的。由于s i c 中c 的存在，c 面氧化所形 成的界面质量远没有s i 面好，另外在氧化后，在低温下进行退火能够更好的改善 界面质量。后面将会继续介绍如何改善热氧化形成的s i 0 2 质量。 ( 3 ) s i c 的刻蚀 在现代半导体工艺中，刻蚀技术是一道不可或缺的工序，尤其在很多需要特 殊结构的器件当中有很多的作用。由于s i c 特有的化学特性，使得常温湿法刻蚀 效果较差。r i e ( 反应离子刻蚀) 是使用较多的一种腐蚀s i c 的方法，r i e 刻蚀通 常采用氟化气体和氧气的混合气体1 1 1j ，这种刻蚀具有高度的各向异性。除了r i e 以外，s h o r 等人提出的激光辅助电化学刻蚀也是一种很好的s i c 刻蚀方法【l2 1 。这 种方法的依据是依靠s i c 材料表面与电解液之间的电荷转移来实现的，它具有更 高的刻蚀速率、更好的杂质选择比以及更小的表面损伤。 ( 4 ) s i cm o s 器件的发展 早在1 9 8 2 年，s u z u k i 等人就在3 c s i c 衬底上制备了最早的s i cm o s f e t l l 3 】； 从那时到现在，不论是器件的结构还是器件的实际性能都已经取得了非常大的进 步。c r e e 公司研制出了耐压4 4 0 v 、1 a ( 5 0 a c m 2 ) 下正向压降3 6 5 v 的功率 m o s f e t 和2 6 0 v 、比导通电阻1 8 m q c m 2 的功率m o s f e t t l 4 】；普渡大学在世界 上首次实现了1 4 0 0 v 的纵向u m o s f e t 和2 6 0 0 v 的横向功率m o s f e t ，前者的 比导通电阻仅为1 5 7r n o c m 2 ；p e t e r s 等采用三重注入工艺于1 9 9 9 年制备出了 1 8 k v6 h s i cm o s f e t t l 5 】。在高温半导体器件方面，c r e e 公司已制成了可在3 5 0 下稳定工作的m o s f e t ，以及在4 0 0 下工作的p m o s 和n m o s 集成电路。 可见在s i cm o s 器件方面的进展是非常的迅速。目前，困扰s i cm o s 器件发展 的一个突出问题是氧化层陷阱电荷密度和s i 0 2 s i c 的界面态密度很高，与s i 基 m o s 器件界面相比，在整个禁带内，s i 0 2 s i c 的界面态密度要高将近两个数量级 | 1 6 1 i7 1 。尤其是导带底附近的陡峭的界面态分布【1 8 1 。【1 9 1 会导致阈值电压和低频l f 噪声增加，器件反型沟道迁移率比较低【2 0 】【2 2 1 ，一般最大只有几十c m z v s ，这将 会严重的影响s i cm o s 器件的性能。所以，如何通过工艺的方法来降低s i 0 2 s i c 4 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 的界面陷阱密度是目前研究s i cm o s 器件中的一个重点。 1 3 本文的主要工作 本文针对n 型4 h s i cm o s 电容s i 0 2 s i c 界面态密度和氧化层陷阱密度过高 的问题，采用注入n + a 1 + 离子，来实现界面处的除碳和氮化，达到降低界面态密 度和氧化层陷阱密度的目的。基于现有工艺条件制作了三种不同工艺的样品，分 别是：直接湿氧氧化和退火处理；先注入n + 离子，再湿氧氧化和退火处理工艺； 先同时注入舯a l + 离子，再湿氧氧化和退火处理工艺。 本文从第二章开始介绍s i 0 2 s i c 界面研究中的基本理论，并介绍目前在提高 s i 0 2 s i c 方面前人所做的研究；第三章开始详细介绍s i cm o s 电容的制作工艺、 电学参数测试及s i 0 2 s i c 界面态密度的分析；并与普通m o s 工艺进行对比分析； 第四章将在第三章的基础上对本文提出的两种不同工艺制作的样品进行对比分 析。第五章是本论文的小结部分。 第二章s i 0 2 s i c 界面特性分析 第二章s i 0 2 s i c 界面特性分析 s i c 能够通过热氧化生长氧化层这一优点，使得其可以通过s i 设备来制作s i c m o s 器件，有利于成本的降低。就击穿特性来说，s i c 上生长的s i 0 2 与s i 上生 长的s i 0 2 质量相割冽。【2 5 j ；但就两者的界面特性来说，s i 0 2 s i c 的界面态密度要 比s i 的高了将近两个数量级，导带底附近陡峭的界面态分布使得s i c 基的m o s 器件的性能反而比s im o s 器件的低【2 刚，这极大的限制了s i cm o s 器件的发展。 由于s i c 材料的宽禁带以及与s i 的晶体结构的不同，使得s i 0 2 s i c 界面处的陷阱 电荷的来源与s i 有很大的不同，为了改善s i c 的界面质量，系统的研究s i 0 2 s i c 的界面特性非常必要。 2 1m o s 系统中陷阱构成 对于所有的氧化物半导体结构，在氧化及后续相关工艺环节中都不可避免的 会引入一些杂质和缺陷。在氧化物半导体结构中，通常将界面中的电荷分为四种 ( 2 7 1 。【2 9 1 ，分别是：界面陷阱电荷、固定氧化物电荷、氧化层陷阱电荷以及可动离子 电荷，如图2 1 所示。 o o ( 4 ) 璐撇砘街 ( 3 ) 氧化层陷阱电荷 丰+ + + + 。+ + + + 弓4 氧- 化+ 崖- - ! 知+ 定粤堪+ 每 iliii，l，i、，ll ( 1 ) 界面陷阱电荷 图2 1s im o s 系统中的电荷种类和位置 金属 s i o ， s i o x s i 6 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 ( 1 ) 界面陷阱电荷 界面陷阱电荷可以是正电荷，也可以是负电荷，由结构缺陷、氧化诱导缺陷、 金属杂质或辐射及类似的键断裂过程引起的其他缺陷形成。界面陷阱电荷位于氧 化物半导体界面附近，并与下面的半导体有电学的相互作用。改变表面电势，界 面陷阱电荷能够被充放电。这种陷阱电荷会引起m o s 器件性能的严重恶化，对 于p s i cm o s 来说，这是导致其沟道迁移率过低的最主要的原因。这种电荷类型 又称为表面态、快态、界面态。其密度在本文用d i t 表示。 界面态分为受主型界面态( 电子占据时为负，反之为中性) 和施主型界面态 ( 空穴占据时为正，反之为中性) 。一般认为分布在禁带上部的界面态为受主型界 面态，禁带下部的界面态为施主型。多数测量结果认为界面态密度在禁带中的分 布呈现“u 型分布，如图2 2 所示【3 0 j f 3 l 】，不论对于s im o s 还是s i cm o s ，其 界面态分布都近似为“u 型分布。 ； j 盂 量 器 童 皂 0 e 1 | ， - 0 2 - 0 1 口q q z0 , 60 _ q 5 e c ( a ) 第二章s i 0 2 s i c 界面特性分析 7 ( 2 ) 固定氧化物电荷 固体氧化物电荷是正电荷，主要是由氧化过程或各种杂质原子造成的结构缺 陷引起，在氧化层中分布在氧化物半导体界面2 n m 的范围内。固定氧化物电荷 与氧化过程密切相关，依赖于氧化环境、温度、冷却条件以及半导体的晶向有关。 固定氧化物依赖于最后的氧化温度，最后的氧化温度越高，则相应的固定氧化物 电荷密度越低；在低温( 4 5 0 。c ) 氢钝化或惰性气体中退火可以降低固定氧化物 电荷密度l 强l 。 由于存在一定密度的界面陷阱电荷时，不能精确地确定固定氧化物电荷，在 s im o s 器件中，可以通过适当的退火降低界面陷阱密度后，再进行测量固定氧化 物电荷，而对于具有高陷阱密度的s i cm o s 来说，固定氧化物电荷密度的测量比 较困难。 ( 3 ) 氧化层陷阱电荷 氧化层陷阱电荷是由氧化物体内的缺陷造成的，它可以是正电荷，也可以是 负电荷，这取决于它俘获的电荷类型。氧化层陷阱通常是电中性的，但可以通过 离子辐射、雪崩注入、f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿或其他方式来引入电子或空穴而呈现 负电荷或正电荷。氧化物陷阱电荷有时也可以通过低温( 1 ) 过渡层，c h a n g 等人【3 6 舭1 】的实验证实了这一过渡层的存在。不同的是， 该过渡层位于界面和s i c 之间，d a s 认为该过渡层会形成无定型的s i ，进而在s i c 的禁带内引入s i 的价带和导带能级。 2 3 关于提高s i 0 2 s i c 界面特性的研究 s i 0 2 s i c 界面质量的好坏是决定m o s 器件性能的重要因数。关于如何提高 s i 0 2 s i c 界面质量，已经了有了许多的的研究，总体上来说都是从两个方面入手 的，一是从材料本身出发来尽量减小s i c 衬底给界面质量带来的影响；二是通过 改善氧化工艺来生长高质量的氧化层绝缘膜。 2 3 1 基于s i c 材料的解决方案 跟其他半导体材料一样，s i c 也具有各向异性的特点。在s im o s 工艺研究中 发现，在( 0 0 1 ) 晶面上具有最小的界面陷阱密度，而在( 1 1 1 ) 晶面上获得的 m o s 器件界面态密度则会高很多。这种现象主要是跟晶面上的原子面密度不同有 关。这种现象也存在s i c 材料中，鉴于s i c 是六方晶格结构，在晶面的定义上稍 有不同。图2 5 【4 2 】直观的显示了六方晶系晶面与立方晶系晶面的对应关系。 不同的晶面对界面态密度和氧化层陷阱密度影响非常大，而这两种陷阱是决 定界面质量的重要因素，后面的章节中将会更详细的讨论这点。 图2 6 1 4 2 是分布在不同的晶面上制作s i cm o s 电容所进行的高频c v 测试， 可以看到不同晶面上的氧化层陷阱电荷所引起的迟滞现象差别比较大。具体可归 结为晶面原子密度越小，迟滞现象越微弱1 4 3 j 。 图2 7 【4 2 】给出了不同晶面的界面态密度随禁带能级的分布，这从另- - 0 l u 面表 明了选择晶面的重要性。 一般而言，c 面形成的s i cm o s 界面质量不如s i 面的，这可能是由于c 原 子的存在导致了大量的c 簇形成，a - 轴表面的界面质量不如c 轴的【1 1 1 。 第二章s i 0 2 s i c 界面特性分析 ( o 0 0 1 ) 面( 1 1 2 0 ) 面( 0 3 3 8 ) 面 ( 1 1 1 ) 面( 1 1 0 ) 面( 0 0 1 ) 面 图2 5 六方晶系下三晶面与立方晶系下的晶面之间的对应关系 ：、 多 簧 鱼 3 名 口 e c - e ( e v ) 5 4 7 。 图2 7 利用电导法测量并计算出的不同晶面的界面态密度分布 1 2 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 g a t av o l t a g e v ) 图2 6 在各种晶面上制作的m o s 电容在1 0 0 k 和3 0 0 k 时的高频c v 曲线 2 3 2 通过改善退火工艺来改善s i 0 2 s i c 界面质量 通过2 2 节的论述可以知道，悬挂键可以影响s i 0 2 s i c 的界面质量，但不是 重要因素，以前基于s i 的着重消除悬挂键的氧化后退火工艺并不能显著的改善 s i c 的界面质量。必须要根据s i c 材料的特点来使用特殊的退火工艺才能显著的 降低界面态密度。 ( 1 ) 二次氧化退火工艺( r o a ) 二次氧化退火工艺就是在正常的氧化过程完成后，维持原来温度或降低温度 通入氧气进行二次氧化。在对s i c 材料进行二次氧化退火时，不同于正常的氧化 过程，主要包括两种氧化过程【4 2 】：一是继续氧化已有氧化层中未被完全氧化而残 留的c 元素的过程；另一方面，是在s i 0 2 s i c 界面附近继续氧化s i c 材料的过程。 r o a 工艺的目的是改善界面质量，而不是继续氧化s i c 。实验表明，在9 0 0 - 9 5 0 l 8 6 4 2 0 l b 8 4 2 o 1 8 6 4 2 o o o o o o n n 晓 o o n o 童5 0 舀 肼 若qp 第二章s i 0 2 s i c 界茬特性分析 低温条件下，r o a 主要是氧化残留c 的过程，如图28 【4 2 1 所示，直观的显示了 不同温度下r o a 得到的氧化层，并经过氢氟酸腐蚀后得到的界面示意图一 y a n oh 州】和马继开等人h 5 1 的研究表明，在9 5 0 ( 2 7 进行湿氧r o a 比干氧下的 r o a 的效果更好，这主要是因为湿氧r o a 可以更好的消耗掉已有氧化层中残留 的c 。图29 1 叫是干氧和干氧后再湿氧r o a 的界面态密度分布比较，可以看出经 过湿氧r o a 可以更好的降低界面态密度a 9 c o i 0 。c c o m p o u n d sr e s i m n t 岛 ：“：“o 啊 鬯 o 1 0 0r c o 5 0 1 吒, s o 幽28 热氧化与不同温度r o a 的侧剖面示意圈 圈2 9 下氧( d o ) 和干氧后二狄氧化退火( d o w r ) 的 4 h s i cs i 0 2 s i c 界面态密度分布 峥_ 17 一，5荽甚龆神毫畴 1 4 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 ( 2 ) 氮氧化物退火 除了二次氧化退火工艺以外，采用氮氧化物进行退火也能够显著地降低 s i 0 2 s i c 界面态密度，改善界面质量。利用n o 、n 2 0 或n 0 2 等氮氧化物作为退 火环境，一方面n 原子进入界面处能够与未饱和的s i 键形成很强的n - s i 键，从 而大副地降低界面处的悬挂键【4 2 , 4 6 】；另一方面，氧原子也会进入界面处氧化掉残 留的c 原子，可以有效的减少c 簇所形成的界面态【4 2 舶】。实验表明，n 2 0 在消除 界面处的c 原子团的效果比其他两种氮氧化物更好。这与它在退火温度时能够分 解为n 2 、0 2 和n o 有关，这样在氮氧化物退火的同时还能够进行二次氧化退火【4 2 1 。 在最近的氮氧化物退火工艺研究中，对n 2 0 退火工艺的研究占到了主要地 位。与二次氧化退火一样，在n 2 0 退火中，温度也是一个非常重要的因素。图 2 1 0 1 47 j 是在不同温度的n 2 0 退火工艺下所得到的4 h s i cm o s 界面态密度分布， 可以发现最佳的退火温度是1 0 0 0 。ez h a o 等人【4 7 j 的实验表明，退火温度在 9 0 0 - 1 0 0 0 时除碳和氮化的反应占主流，高于1 0 0 0 ( 2 时，则会发生s i c 的明显进 一步氧化。 譬 q ； 岔 e c - e ( e v ) 图2 1 04 h s i cm o s 在不同n 2 0 退火温度下界面态密度在禁带中的分布 第二章s i 0 2 s i c 界面特性分析 2 4 小结 本章简要的介绍了s i cm o s 系统中各种陷阱电荷的构成及其特性，并对界面 态电荷的起源进行了讨论。另外，介绍了最近在提高s i 0 2 s i c 界面特性方面所进 行的研究。在退火工艺的研究方面，二次氧化退火和氮氧化物退火都能够有效的 降低s i cm o s 系统的界面态密度，改善界面质量。这两种工艺的核心都是除碳和 氮化，实验也表明只要能够有效的除碳和氮化就能够很好的降低界面态密度。先 在s i c 外延层上注入盯离子，然后再进行氧化。本文的实验也说明，这样也可以 很好的实现除碳和氮化，采用这种工艺能够得到界面态密度更低的s i cm o s 电 容，并且这种工艺简单、兼容性好，可以定量控制注入n + 离子的剂量，实现了研 究界面质量和注氮剂量的可能性。这正是下一章要研究的内容。 第三章氧化前注入n + 离子的s i cm o s 电容界面特性分析 1 7 第三章氧化前注入n + 离子的s i cm o s 电容界面特性分析 在第二章中，我们详细的介绍了s i cm o s 系统中界面态电荷构成及其形成机 理。其中界面态电荷对s i cm o s 的电学性能影响比较严重，所以本章中引入注入 n + 离子的工艺目的即是实现除碳和氮化，降低界面态密度。这种工艺比较简单， 且能够很好的与现有工艺兼容。这种工艺能够实现注入旷离子剂量的精确可控， 并为注入盯离子剂量和界面特性质量提供了定量研究的可能性。 3 1 界面改善方法概述 实际上，在如何改善s i cm o s 界面质量的这个课题上已经有了很多的研究， 包括在前一章中提到的二次湿氧氧化退火，或者将s i c 材料放在氮氧化物中进行 后退火处理。不论哪一种，只有有效的对界面实现除碳和氮化才能有效的降低界 面态密度，改善s i 0 2 s i c 的界面质量。根据他们的研究结果来看，这些方法或多 或少的能够改善s i cm o s 界面特性，但是都不是非常的显著，并且工艺上也不能 很好的与现有工艺兼容。 本章介绍的工艺是氧化前在s i c 外延层上注入一定剂量的矿离子，然后再进 行湿氧氧化消耗掉注入n + 离子s i c 外延层【4 9 5 0 j ，在氧化过程中，盯离子将在 s i 0 2 s i c 界面重新分布并会积累在界面附近1 5 们。累积在界面附近的矿离子能够与 未成键的s i 原子形成n _ = s i ，n 兰o 键，这一过程能够缓和界面应力，减少了悬挂 键和扭曲键【4 2 舶】，有助于降低界面陷阱电荷。另外，由氧化不完全等原因残留在 界面附近的c 簇构成了4 h s i cm o s 系统主要的界面态1 电荷 3 6 0 t ：i n t e r f a c et r a p ) ， 它们分步在s i 0 2 s i c 界面附近，并且在禁带中引入了大量的受主型的杂质。积累 在界面附近的n + 离子能够很好的与受主型的不饱和的c 原子成键形成很稳定的 结构，如图3 1 1 4 8 所示，达到了除碳和氮化的双重效果，使得4 h s i cm o s 系统 的界面质量获得了很大的改善。另外，氮离子注入工艺比较简单，且能够精确的 控制注入剂量和深度，实现定量研究注入剂量和界面态密度的关系。 氧化前注入圹离子的缺点是增加了氧化层中的正电荷。这会使得平带电压向 负向偏移。为防止这一点，本文采用湿氧氧化工艺来生长氧化层，一方面湿氧氧 化会增加氧化层中的负电荷，这将弥补正的旷离子；另外，湿氧氧化的速度较快， 并且能够将氧化不完全而残留的c 原子降低到最少。 1 8 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 c - c l u s t e rw i t h ni n t e r f a c ed o n o r c - c l u s t e r w i t h o u tn 图3 1s i 0 2 s i c 界面的俯视图：界面陷阱( i t ：i n t e r f a c et r a p s ) 与电离的n + 离子结合成稳定结构 3 2 实验方案与样品制备 m o s 工艺是半导体技术中的关键工艺技术，是众多分立器件和集成电路实现 的基础。目前，对于s i c 的m o s 工艺，国际上还没有一个公认标准工艺，但是 几乎所有的研究都说明，要在s i c 外延层上获得性能优异的m o s 器件，就必须 对标准的s i 工艺进行优化和改进。 本文中所采用的衬底材料是美国c r e e 公司生产的研究级n 型4 h s i c 晶片， 外延层是在西安电子科技大学s i c 外延实验室生长的。衬底晶向是c 轴偏( 1 1 2 0 ) 晶向8 。，衬底厚度为18 0 斗m ，掺杂浓度为n d = 5 x1 0 1 8 c m 弓；外延层厚度为1 0 岬， 掺杂浓度为n d = 1 1 x 1 0 ”c m 3 。制作s i cm o s 电容的关键工艺主要有以下几步， 如图3 2 所示。 图3 2s i cm o s 电容器制作工艺流程 第三章氧化前注入n + 离子的s i cm o s 电容界面特性分析 1 9 3 2 1衬底清洗 在进行所有工艺之前，s i c 衬底必须要进行清洗处理，本文中采用的是实验 室标准湿法清洗流程。具体方法如下：用去离子水超声清洗n 型s i c 外延材料后， 用浓硫酸清洗，加热至冒烟，煮1 0 m i n 后，浸泡1 0 m i n 分钟；接着用去离子水冲 洗表面数遍；接着用n 2 0 、h 2 0 2 和氨水比例为5 ：l ：l 的l 号清洗液8 0 水浴 浸泡5 m i n ，并用氟化氢溶液清洗后，去离子水冲洗表面数遍；再用h 2 0 、h 2 0 2 和h c l 比例为6 ：1 ：1 的2 号清洗液8 0 水浴浸泡5 m i n ，并用氟化氢溶液清洗 后，去离子水冲洗表面数遍，最后通过红外灯烘干。 清洗流程可以由如图3 3 表示： 图3 3 衬底清洗流程 清洗可以去掉外延层表面的沾污，同时在一定程度上也可以降低外延层的粗 糙度。避免一些不必要的因素影响了实验的准确性。但是清洗并不能改善衬底表 面的缺陷。 3 2 2离子注入 在对s i c 衬底进行上述清洗后，再对s i c 外延层进行n + 离子注入。离子注入 在本实验中是一个很重要的工艺，在标准的s i cm o s 工艺中是未曾使用的。在做 离子注入前，先使用t r i m 软件进行离子注入仿真，根据所需要的注入深度来确 定所需要的离子注入能量，图3 4 【5 0 1 是氧化前注入盯离子的示意图。根据仿真所 得到的注入参数就可以确定所需要的注入剂量。本实验的注入是在北京半导体研 究所进行的，注入参数如图3 5 所示。 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 m 嗽 ) 图3 4n + 离子注入在s i c 外延层中分布的示意图；d m 勰和d 一分别 对应高斯分布的峰值位置和氧化中消耗的s i c 厚度 图3 5 离子注入参数 f-誉v倒鹾昌 一 巨 ￥ 香 誊 罂 罢 旦 暑 8 星 旦 三 ( a ) ( b ) 图3 1 1 图( a ) 撑1 和图( b ) 撑2 号样品的导带底界面态密度分布 3 5小结 本章采用氧化前注入盯离子的工艺制作s i cm o s 电容，并对其进行高低频 c v 测试。实验结果表明，采用该工艺制作的s i cm o s 电容其平带电压比未注入 离子的s i cm o s 电容的小。样品在氧化前注入n + 离子增加了氧化层中的正电荷， 这会导致c v 曲线向负方向偏移，对应的平带电压的绝对值会很大。湿氧氧化会 在氧化层中引入了很多的负电荷，补偿了氧化层中过多的正电荷，使得注入旷 离子注入对4 h s i cm o s 界面特性影响的研究 离子的样品平带电压较小。采用高低频c v 的方法计算了样品的界面态密度。 结果表明，氧化前注入旷离子的s i cm o s 电容其界面态密度降低到1 0 n c m 之e v 1 的量级。该工艺显著的降低了界面态密度，比未注入矿离子的群l 号样品 ( d 矿8 5 x 1 0 1 2 c m 2 e v _ 有较大幅度的降低，达到了预期的实验目的。 第四章氧化前注入n + a l 离子s i cm o s 电容界面特性分析 第四章氧化前注入n + 从l + 离子s i cm o s 电容界面特性分析 在第三章，采用氧化前在s i c 外延层上注入盯离子的方式得到了m o s 电容。 并对不注入n + 离子的拌1 号样品和注入n + 离子的撑2 号样品进行了电学测试和分 析，发现氧化前注入n + 离子能够有效的降低s i 0 2 s i c 的界面态密度。本章从另 一个角度出发，湿氧氧化可以补偿矿离子注入所引起的平带电压漂移，注入的 a l + 离子在氧化层中俘获电子成为负电荷。那么在注入圹离子的同时，注入a l + 离子也能够补偿盯离子注入所引入的正电荷。本章即是通过氧化前同时注入 n + 砧+ 离子，来研究注入a l + 离子对样品的平带电压和界面质量的影响。 4 1 样品的制备 撑3 号样品s i c 衬底也源自c r e e 公司，具体材料参数见第三章。具体工艺流 程见图4 1 。可以看n # 3 号样品在衬底清洗、湿氧氧化和氧化后退火的工艺流程 与群2 号样品完全相同，不同的是在离子注入工艺环节。j 5 3 号样品不仅进行了矿 离子注入，还进行了一定剂量的a l + 离子注入。 实验室标准湿法清洗 j 上 离子注入碳化硅外延