（材料物理与化学专业论文）vlsi器件氧化层可靠性的研究.pdf

一一 塑至 v l s i 器件氧化层可靠性的研究 摘要：目从在硅平面器件采用二氧化硅来进行杂质的掩蔽扩散和作为钝化层介质 以来，绝大部分的硅器件表面都离不开硅一二氧化硅界面结构，二氧化硅的性能 极大的影响着器件的性能。佩据先进半导体制造有限公司的生产实际，本文主要 研究了热载流子注入栅氧中对器件性能的影响以及用热脱附谱研究掺磷氧化硅 吸收水分这两个问题。 1 ) 在热载流子分析与模拟中，通过建立一个热载流子注入栅氧中的模型来深入 研究热载流子对栅氧影响的主要机理，并且用这个模型来模拟在热载流子注入情 况下器件的内部电场、衬底电流、阈值电压和跨导随时间的变化，并对实际 m o s f e t 作了，一y 特性曲线和跨导变化量随偏压时间的实验测试。( 理论分析、 实验结果与模拟结果都符合得很好。为改善m o s f e t 热载流子效应，在这部分 的最后作者提出了一种对轻掺杂漏区( l d d ) 的优化结构，优化后的l d d 的模 拟结果显示比优化前的l d d 能更有效降地低沟道中的峰值电场，减小热载流子 数量和抑制热载流子注入栅氧，并且这种结构的工艺和轻掺杂漏区结构工艺是兼 、 容的。4 2 ) 热脱附谱( t d s ) 研究h 2 0 在掺磷氧化硅( p s g ) 中的吸附问题是通过理论 模型与实验相结合来实现的。p s g 是在4 0 0 c 左右用化学气相淀积( c v d ) 方法 生长的，在生长过程以及以后的工序中容易吸收h 2 0 。t d s 是由2 5 开始以2 0 。c r a i n 均匀升温到8 0 0 。c 获得的。由r i d s 的残余气体分析( r g a ) 模式可以推 出h 2 0 在p s g 中的可能结合形式。f 建立生长、吸附、扩散和脱附等几个过程的 模型，通过实验测量了p s g 中脱附的h 2 0 随时间、温度、湿度等环境条件的变 化关系。在v l s i 多层布线中这些结果决定了许多工艺参数，如烘烤时间、金属 淀积前的等待时间等等，然后提出一系列的改进措施来提高产品的可靠性。 优化l d d 结构以及优化和掺磷氧化硅有关的生产工艺这些措施成功地运用 于a s m c 的v l s i 的规模生产中，获得良好的效果，成为常规工序。q 关键字：二氧化硅i 热载流子，轻掺杂漏区结构，掺磷氧化硅j a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eo x i d eh a sb e e na ni m p o r t a n tp a r to ft h ev l s id e v i c e ss i n c ei tw a sb e e n u s e da st h em a s ki nd i f f u s i o na n dt h ep a s s i v a t i o n o x i d ep e r f o r m a n c ei n f l u e n c e s d e v i c ec h a r a c t e r i s t i cg r e a t l y i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t et w op o i n t so ft h eo x i d e 1 ) h o t c a r r i e ri n j e c t i o ni n t ot h eg a t eo x i d ei ns u b m i c r o m e t e rm o s f e t sw o u l dc a u s e d e v i c ef a i l u r e t h es e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a i l u r em e c h a n i s ma n d p h y s i c a lm o d e lo ft h i se f f e c t t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n si n c l u d ei n t e m a le l e c t r i cf i e l d s u b s t r a t ec u r r e n t ，s h i f to ft h r e s h o l dv o l t a g ea n dt r a n s c o n d u c t a n c ea n dt h eh o t c a r r i e r e f f e c ti nn m o s f e t si ss i m u l a t e d w eh a v ea l s oc o m p l e t e dt h ee x p e r i m e n t a lt e s t so n n m o s f e ti - vc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e l a t i v ec h a n g eo fm a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c e w i t hs t r e s s t i m e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n d e x p e r i m e n t a l d a t a t h es i m u l a t e dp e r f o r m a n c eo fa no p t i m i z e dl i g h td o s ed r a i n s t r u c t u r ei ss a t i s f a c t o r y 2 1o u t g a s s i n gf r o mp h o s p h o s i l i c a t eg l a s s ( p s g ) f i l mw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rb y u s i n gt h e r m a ld e s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( t d s ) p s gf i l mg r o w nb yc o n v e n t i o n a l c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( c v d ) m e t h o da tt e m p e r a t u r ea b o u t4 0 06 cw a sa b l et o a b s o r bw a t e rd u r i n gd e p o s i t i o na n df o l l o w i n gp r o c e s s e s e x p o s i n gp s gt o t h e d i f f e r e n te n v i r o n m e n th u m i d i t i e sa n dt e m p e r a t u r e sf o rd i f f e r e n tt i m e ，t h er e l a t i o n s h i p o fw a t e r - a b s o r p t i o nv s t i m e ，h u m i d i t i e sa n dt e m p e r a t u r ei sf o u n d r e s i d u a lg a s a n a l y s i sm o d e lw i t hr a m p e dh e a t i n g ( 2 0d e g r e ep e rm i n u t e ) b e t w e e n0 ca n d8 0 0 c r e v e a l e dp o s s i b l ed e s o r p t i o ns t a t e sf o rw a t e r at h e o r e t i c a lm o d e li n v o l v i n gt h r e es t e p s 一一d e p o s i t i o no f w a t e ri np s gd u r i n gc v d 、w a t e ra t t a c h m e n tt ot h es u r f a c eo ff i l ma n d w a t e rd i f f u s i o nt ot h eb u l ko ff i l m - - - w a sp r o p o s e dh e r et oc h a r a c t e r i z ew a t e r p e r f o r m a n c ei np s g t h e s ei m p r o v e m e n t sh a v eb e e na c c e p t e da sr o u t i n et e c h n i q u e si nv l s ip r o c e s s e s o f a s m ca n dg a i n e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ： o x i d e ，h o tc a r r i e s ，l d d ，p s g 2 第一章前言 第一章前言 自2 0 世纪6 0 年代以来，m o s 器件正以惊人的速度发展，器件的尺寸在不 断的减小，速度在不断的提高，功能也在不断的增强，对材料和工艺也提出了更 高的要求。 自从在硅平面器件采用二氧化硅来进行杂质的掩蔽扩散和作为钝化层介质 以来，绝大部分的硅器件表面都离不开硅一二氧化硅界面结构，二氧化硅的性能 极大的影响着器件的性能。 根据硅一二氧化硅界面的性质，对器件特性的影响可以归纳为三大类：第一 类为二氧化硅中的电荷，它将改变表面电势，在硅中感生镜像电荷，导致p n 结反向漏电流、击穿电压发生，甚至形成表面沟道；第二类是界面态，当表面电 势改变时，它能与硅交换电荷，能俘获或发射空穴或电子，形成表面的产生一复 合中心，因而对双极晶体管的电流增益、噪声、漏电等有影响；第三类是掺杂二 氧化硅中杂质对氧化层的影响，如本文中讨论到的掺磷氧化硅( p s g ) 暴露在空 气中比一般氧化硅更容易吸收水，水和p s g 中的磷发生反应生成的偏磷酸会腐 蚀铝线。 硅一二氧化硅系统中存在着四种类型的电荷，这就是固定电荷、可动离子、 界面态和辐射感应电荷。这四种电荷都属于正电荷、正电荷的存在将使二氧化硅 底下的硅表面感应负电荷积累，造成硅平面器件势垒区发生变化。这些变化导致 两个很重要的特性：1 ) 如果是n 型表面，则表面变成n 十化；2 ) 如果是p 型硅 表面，则表面变成耗尽或n 型化( 即表面反型) 。器件的二氧化硅与界面所出现 的两种特性，将影响半导体器件很多性能，从而造成器件失效。 除了硅一二氧化硅本身的电荷外，器件的制造和使用过程中也会使氧化层和 界面处的电荷分布发生变化，如光刻、离子注入、等离子腐蚀以及器件在工作条 件下热载流子注入氧化层等。 平面工艺中，二氧化硅层的作用有三个：1 ) 作杂质扩散的掩蔽膜；2 ) 器件 表面的保护和钝化层；3 ) 某些器件的组成部分，例如，多层布线间绝缘介质、 绝缘材料的介质隔膜、m o s 管和m o s 电路的绝缘介质、集成电路中m o s 电容 的介质材料等。然而，二氧化硅层不是完美的，其本身会产生一些缺陷，破坏了 上述作用，影响了器件的可靠性。 为了使器件不受环境、潮气和离子杂质的侵害以及在电场和温度应力下保持 器件特性的稳定，除了注意封装和表面清洁工作外，对半导体器件表面的保护和 钝化是极为重要的。平面工艺发展以来，二氧化硅薄膜一直是钝化硅器件的一种 便利和优良的材料。根据器件的器件设计和制造的多样性，不断开发出各种新型 的二氧化硅钝化层，比如在二氧化硅中掺磷、硼，形成p s g 或者b p s g ，来满足 第一章前言 可靠性对器件结构( 金属层和钝化层) 的新要求。 然而，二氧化硅使多孔性网状结构，对抗钠离子的迁移和防止水汽以及其 他杂质的渗透能力差，这些缺点会造成器件和电路性能变坏甚至失效。为了进一 步提高器件的可靠性和稳定性，人们不断革新工艺，采取各种措施来改善二氧化 硅的性能。 根据先进半导体制造有限公司的生产实际状况，本文以下内容主要研究了 热载流子注入栅氧中对器件的影响以及用热脱附谱研究掺磷氧化硅吸收水分的 问题。 4 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 2 1 引言 随着器件尺寸和m o s f e t 沟道长度的不断减小，若工作电压保持不变或跟 不上尺寸的减小，器件内部的电场强度随着器件尺寸的减小而增强，各种在较长 沟道时不明显的物理效应在深亚微米沟长时变得越来越强烈。这些短沟道效应可 能引起器件性能的退化，同时也使描述器件的物理模型变得复杂。 器件内部的电场强度随着器件尺寸的减小而增强到大于临界值后，高电场 下载流子的速度会达到饱和。因此电场的增大并不能提高器件的速度，相反高电 场产生大量的“高能载流子”，导致所谓“热载流子”效应的出现。 半导体中的热载流子是那些具有比一般载流子能量高的多的载流子( 电子 或者空穴) 。因此，热载流子可以通过和达到热平衡状态下的载流子比较动能和 温度来解释。达到热平衡状态下的半导体中的电子能量e 比导带底能级f c 稍高 一点，即e - e c = k t , 这里的丁是指器件温度，k 是波尔兹曼常数。 在非平衡状态下，那些具有比热平衡状态下更高动能的粒子就成为电流。 然而，那些在准平衡区域运动的载流子只有很小的动能，它们的和k t 相差不大。 当这些载流子碰上高的电场，比如电子在m o s f e t 管的沟道中运动，它们的动 能在很小的距离内增大了，这些被加速的电子动能可以表示为e - e c = k t e k t ( 疋 是有效温度) 。即使器件处于室温条件下，这个有效温度会比室温t 高很多，因 此高能电子和空穴被称为“热载流子”睇j 。 反型层中的载流子被沟道中的横向电场加速并获得足够能量，在漏极处的 激烈碰撞使耗尽层中发生雪崩式碰撞电离，产生大量电子一空穴对。空穴进入衬 底，成为衬底电流的一部分。而电子在栅电场牵引下，会注入并陷在栅氧化层中， 或形成硅一二氧化硅的界面电荷。m o s 管的阈值电压蜥、跨导占m 和饱和电流 如删，等关键参数将发生不可逆转的衰减，在一定的工作时间后，将最终导致器件 失效。 热载流子效应已成为限制v l s i 电路最大器件密度的主要可靠性因素之一。 人们已经做了很多关于硅热载流子失效机理方面的研究，并提出了一些抗热载流 子效应的结构来提高器件可靠性。 抗热载流子效应结构分为三种方法：工艺级、器件级和电路级。工艺方面 最主要为采用各种新的工艺；器件级的设计最主要体现为采用各种新的器件结 构，器件级针对一些导致热载流子失效的因素而作的改进器件可靠性的方法，这 种设计只适用于单个器件结构，并没有考虑到系统整体的功能；电路级体现在子 电路级的设计，纯粹为减少热载流子效应而作的子电路设计。 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 这里只研究器件级抗热载流子方法，即提出新型结构来抑制热载流子的产 生。现在已经提出的很多结构都是在漏结的边缘形成一个空间电荷过渡区，将一 些电压降落在这个过渡区中，因而使沟道中的峰值电场降低。这种结构均称为缓 变漏区结构。在这些结构中，漏区被分割成掺杂浓度较高的和较低的两段，电压 主要降落在掺杂浓度较低的区域，从而降低峰值电场。缓变漏区结构主要有轻掺 杂漏( l d d ) 、双扩散漏( d d ) ，磷漏( p d ) 等 常用的l d d 结构可以减轻热载流子效应的影响。在l d d 的基础上，有人 提出很多改进的l d d 结构，比如中等掺杂l d d 结构( m l d d ) ，反向t l d d 结构( i t l d d ) ，p l d d 结构，隐埋a sl d d 结构( b l d d ) 和栅覆盖漏( g o l d ) 结构口1 。 本文建立热载流子效应的失效机理和物理模型来深入了解热载流子效应引 起器件性能衰退原因，并利用该模型计算了该效应下的内部电场、衬底电流、阈 值电压下跨导的变化；同时对1t am 以下沟道长度的n m o s 进行了计算机模拟， 并与热载流子效应下实际m o s 管的j y 特性等实验结果进行了比较；另外用 模拟的方法对l d d 作了优化。 2 2 热载流子效应的物理模型 m o s 管中热载流子产生的退化是由高能的电子和空穴注入漏区附近的栅氧 层中引起的。这种退化的形式是氧化层中和界面处的电荷陷阱积累使氧化层一界 面处的电荷分布发生改变。以下主要集中讨论n m o s 管，因为n m o s 管中的热 载流子效应比p m o s 大很多。 2 2 1m o s f e t s 中栅氧层的退化 不断改进的v l s i 制造工艺中，主要集中在减小器件尺寸，比如沟道长度， 结深和栅氧厚度等，而没有等比率地降低电压。当这种尺寸的减小达到了亚微米 级，并且衬底掺杂浓度的增加，导致沟道中的横向和纵向电场强度的显著增加。 电子和空穴在电场中获得很高的动能，电子经过碰撞注入栅氧中导致氧化层一界 面电荷分布发生不可逆的变化，使m o s f e t 的，_ 矿曲线变化。由于热电子注入 引起的退化的几率随着器件尺寸的减小而增大，这个问题已经成为限制v l s i 中 器件最大密度的一个重要因素【4 j 【“。 氧化层退化机理之间的关系如图2 2 1 示。n m o s 管中热载流予引起的退化 是由于两个原因：1 ) 载流子被氧化层的缺陷俘获；2 ) 在氧化层一硅面处产生界 面态。 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 热载流子注入产生的退化会引起跨 导的变化、闽值电压的漂移、亚阈值电压 的变化和漏电流的减小。但是，至今为止 对退化的本质和与之相关的注入条件还没 有一个统一的意见，原因就是没有一种可 靠和灵敏的技术可以测量热载流子在界面 的退化。很多研究工作把他们有关退化的 物理本质方面的结论建立在器件电流特性 的改变上。然而，阈值电压的漂移以及跨 导或衬底电流的改变只不过是间接的反映 了界面处的物理退化。而且由于热载流子 引起的氧化层退化是集中在某些区域的， 所以对这些分析的解释是非常复杂且很难 证实。 综合各种实验并分析电流特性得到 的氧化层退化”，可以得到两个不同的 电压区间对应着不同的退化机理。对于最 大衬底电流区域( f 2 v 6 s ) ，氧化层的退 化对应着由热电子和热空穴产生的界面态 而没有发现明显的电荷陷阱。对于大量电 图2 2 1 热载流子效应的基本原理 子注入氧化层的电压区域( f s ) ，退化主要是由电荷陷阱引起的，但也有一 定的界面态产生。因此，研究n m o s 管中热载流子引起的退化机理必须包括电 荷陷阱和表面态产生，这两者都是由于热载流子注入栅氧中引起的。 2 2 2 基本概念 已经提出的有关热电子注入栅氧层中的注入机理一共有六种： 1 ) 沟道热电子注入( c h a n n e lh o t e l e c t r o ni n j e c t i o n ) ； 2 ) 漏区雪崩热载流子注入( d r a i n a v a l a n c h eh o t c a r r i e ri n j e c t i o n ) ； 3 ) 二次产生热电子注入( s e c o n d a r y g e n e r a t e d h o t - e l e c t r o n i n j e c t i o n ) ： 4 ) 衬底热电子注入( s u b s t r a t eh o t e l e c t r o ni n j e c t i o n ) ； 5 ) f n 隧穿注入( f o w l e r - n o r d h e i mt u n n e l i n gi n j e c t i o n ) ； 6 ) 直接隧穿注入( d i r e c tt u n n e l i n gi n j e c f i o n ) 。 沟道热电子( c h e ) 是由从沟道中逃离出来向栅氧层运动的“幸运电子” 引起的。当具有足够能量的电子可以克服表面势垒的电子到达s i s i 0 2 界面时 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 它们被注入氧化层。沟道热电子能导致栅氧层或s i s i 0 2 发生明显退化，并伴随 着还产生了栅极电流。在高的v d s 晴况下，漏区附近的横向电场使电子加速，c h e 更加明显。 漏区雪崩热载流子注入由碰撞电离产生的电子和空穴引起，它能同时产生 栅电流和衬底电流。也会引起电荷注入，热电子流和由此而产生的氧化层退化都 集中在漏区附近。 二次产生热电子注入在深亚微米器件中越来越明显，它是由少数载流子的 二次碰撞电离或者轫致辐射引起的。 衬底热电子注入主要来源于衬底电流。在沟道耗尽层中产生的电子或者从 衬底中扩散过来的电子向s i s i o z 界面处移动，并在表面耗尽区域的高电场中获 得动能。达到界面处的电子中有些具有足够的能量能够克服表面势垒注入到栅氧 层中。这些中的一部分电子被氧化层中的陷阱俘获，产生相对均匀的氧化层电荷 积累，并导致阈值电压随时间产生漂移。然而，衬底热电子效应主要在长沟道中 发现。当沟道长度减小时，大部分的衬底热电子被扫进了漏区或源区而不是器件 的表面，因此衬底热电子效应也减小。在短沟道器件中这种热载流子注入模型可 以被忽略。 f n 隧穿注入被利用对e e p r o m 进行“写”操作，也是薄的绝缘层t d d b ( t i m e d e p e n d e n t d i e l e c t r i c b r e a k d o w n ) 的主要原因。 直接隧穿注入被用在n m o s 型的e e p r o m s 上，并且在v d 0 ) ( 2 2 8 ) 和匕“玎 ( 对于e 。一、盈芸一嚣菩嚣薯。萑o 3。ug 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 同偏压时间下的正向输入与输出特性曲线。模拟的偏压条件为隐= 1 5 v ，v b s = 3 3 ve 在热载流子偏压下，输入曲线右移，增大( 输入曲线中，吩定义为 i v = 1 0 肛a 时的栅电压) ，曲线的最大斜率( a ，d s l o v e s ) 。a x 及最大跨导以圳。也增大。 从上两图可看出热载流子效应与偏压时间有关：时间越长，注入氧化层及 界面的电子越多，吩和最大跨导的漂移就越厉害。标准漏极结构s d - - m o s 的 啊和& 蚤。漂移的相对量与偏压时间关系的模拟曲线将在表2 5 2 中连同新结构 的模拟结果一同给出。 图2 3 5 反向输入特性曲线如p 岳图2 3 6 反向输出特性曲线而 图2 3 5 、图2 3 6 为反向( 漏源互换) 偏压下的输入输出曲线。每图中插入 一条正向的曲线，以作比较。在正向偏压下，部分电子在到达漏极之前注入氧化 层。因此在相同v o s ( v d s ) 下，d s 的数值减小，即输入曲线右移，输出曲线下 移。而反向偏压下，电子注入氧化层发生在源极附近。大量电子一进入即注入到 氧化层中，从而注入漏极形成i d s 的电子比正向时更少，因此i o s 的衰减更严重， 使在偏压时间下反向的特性曲线( 点划线) 比正向曲线( 虚线) 有更大的漂移。 2 3 3 模拟结果与实验的比较 图2 3 7 至图2 3 1 0 为，一v 的实验结果。从中可以看出：在同样的v g s ( v d s ) 下，热载流子效应使i d s 减小，输入输出特性曲线均向下漂移。“热载流子偏压” 使m o s 管的参数发生与时间有关的衰减，时间越长，衰减越严重。其次在漏源 互换的反向偏压情况下，特性曲线的漂移比正向时更明显，实际测得的，一v 曲 线的变化趋势都与模拟相符合。实验也测得的最大跨导的相对变化量 ，葑墨寸io、甚。嚣；ocw翌q 阮1 1 的相对变化与偏压时鳓关釉实验曲线和模拟结翱比较 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 2 4 已经提出的改善热载流子效应的缓变漏区结构 热载流子对m o s 器件是固有存在的。随着器件尺寸的缩小变得更严重。减 小热载流子对进一步缩小尺寸的器件保证可靠工作很重要。 热载流子阻挡结构有两种：第一种是减小热载流子总数的器件结构；第二 种通过改进结构、材料、工艺和电路，以减小已存在的热载流子的影响。 由于选择器件基本参数方面自由度很小，提出了特殊器件结构，这些结构 主要是在漏结的边缘处形成一个空间电荷过渡区，将一些电压降落在这个过渡区 中，因而使沟道中的峰值电场降低。这种结构称为缓变漏区结构。在这些结构中， 漏区被分割成掺杂浓度较高的和较低的两段，电压主要降落在掺杂浓度较低的区 域，从而降低峰值电场。 缓变漏区结构主要有双扩散漏结构( d d d ) ，磷漏( p d ) ，轻掺杂漏结构 ( i ，d d ) 。 2 4 1 轻掺杂漏结构( l d d ) 自对准轻掺杂漏( l d d ) 结构，最早于7 0 年代提出，目的就是减少小尺寸 m o s 器件的热电子注入问题。它的主要思想使利用栅外面的n 型扩散区使部分 电压降于此区。 6 a t e 图2 4 1l d d 结构图 影响l d d 结构器件有效性的关键参数是n 一轻掺杂区的长度和掺杂浓度。区 分哪一种掺杂浓度，和哪一种工艺最佳，主要是看控制这两个参数的能力以及工 艺步骤的复杂程度。 近几年对l d d 器件参数进行了广泛研究并取得成功，对于减小衬底电流、 提高击穿电压方面都很成功。早期设计时主要考虑衬底电流和栅电流，通常取n 一区浓度较低( 2 5 1 0 ”e m _ 3 ) 、长度比较长( o 3 0 5um ) 。这样确实可使衬 底电流较小( 比常规器件小1 0 ) 。 l d d 结构虽对降低沟道峰值电场( 从而降低衬底电流) 很有效，但串联电 阻增加，会引起器件退化。这是因为l d d 区只有中等剂量，很容易由于热载流 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 子注入氧化层陷阱或界面态造成耗尽。若耗尽区扩展到栅外( 例如低剂量l d d 情况或者栅与l d d 区覆盖较少的器件) 脱离了栅的控制，不能形成电荷薄层， l d d 区电阻率增加，极端情况下，会使器件完全截止。这种情况称为“缺少栅 控制效应”或“外部沟道截止效应”。 此外，由于热载流子注入可发生在l d d 器件栅之外，那里的栅氧质量不够 好，会导致更多电子被俘获或感应出界面态。 由此可见，对于早期l d d ，剂量设计使得衬底电流最小，但热载流子退化 问题变得更严重，故设计时既要考虑减小衬底电流又要考虑器件的实际退化。新 一代的l d d 大部分使n 一区掺杂浓度为2 1 0 ”c m ，以保证良好的热载流子可 靠性。 2 4 2 双扩散漏结构( d d d ) 常规d d d 是在边墙形成前后分别注入n 一磷及n + 砷。现在采用在边墙形成 后进行1 1 一、n + 注入。轻掺杂区由快磷扩散形成，n + 由a s 慢扩散形成。 g a t e 图2 43 d d d 结构示意图 这种结构不能独立控制掺杂浓度及缓变区长度，因而限制了对电场的抑制。 对于l 11 tm 的器件是较成功的，衬底电流可减小因子4 6 。 d d d 结构结深使其在抑制短沟道效应方面比常规l d d 差些。 2 4 3 改进的l d d 结构 为进一步改进l d d 特性，已提出一些改进结构，目的使解决或改善器件退 化问题。 1 ) m l d d 结构( 中等掺杂l d d 结构) 目的是克服栅不能控制问题，采取掺杂浓度比l d d 高使峰值电场位置处在 栅控制区域内。这时衬底电流比标准l d d 大些，但仍可使热载流子注入或界面 态产生最小( n 一- - p ) 结电场最大值在n 一浓度小时越进入n 一区) 。最佳的n 一剂量 为5 6 1 0 ”c m ，n 一剂量高一些也可保证没有外沟道夹断效应，电流驱动能 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 力也比标准l d d 大。浓度较高带来的问题是栅一漏覆盖电容较大。 g a t e 墅翼霉! l r 一【兰f k 图2 4 4l d d 和m l d d 结构示意图 2 ) i t l d d 结构( 反向t l d d ) 目的与m l d d 相同，方法是将栅覆盖于整个l d d 区，确保峰值电场在栅 控制之下，同时可消除较差电介质的影响。缺点是覆盖电容较大，横向扩散较长， 对高速电路不利。 g a t e 图2 4 5i t l d d 结构示意图 3 ) p l d d 结构 可用来消除外沟道夹断效应，具体方法为在n 一磷注入后外加剂量为1 1 0 “c m 一2 的砷注入。外沟道区掺杂浓度足够高保证不会因热载流子产生电荷而耗 尽。此结构得到的结果是退化因子减小4 。 6 a t o 图2 4 6p l d d 结构示意图 第2 2 章氧化层退化的热载流子分析与模拟 4 ) b l d d 结构( 埋层a s l d d ) 采用附加的a s 注入进入n 一区，但注入能量较高，使掺杂砷在磷l d d 区的 下面。其目的是将电流引向较深处，以避免高电场区接近氧化层界面，可得到较 低的衬底电流。当峰值电场位置远离界面时，热载流子在进入氧化层前需要行进 较长的距离，损失较多的能量，因而减小退化。 ( j a r e 图2 4 7b l d d 结构示意图 2 5 对l d d 结构的优化 常用l d d 结构来改善m o s f e t 的热载流子效应，由于l d d 结构只考虑轻 掺杂漏区的长度和掺杂浓度，随着器件尺寸减小至o 5 “m 以下时，跨导漂移和击 穿电压的问题就充分暴露出来。 利用强栅一漏覆盖效应来实现高的可靠性、好的工作特性和高的击穿电压。 一般的l d d 结构器件设计只注意两个数来：n 一区长度厶和n 一区剂量m 。然而， 栅一源漏覆盖长度i 也是影响l d d 器件性能的一个重要参数，通过优化栅一 源漏覆盖长度达到减小横向电场强度和抑制热载流子的注入。 1r _ 蕊i 笠i ： 图2 5 il d d 漏区结构的三个主要参数： 覆盖长度f 、n 一区长度厶和n 一区注入剂量心 由于已经有很多文献研究l d d 器件的n 一区长度上n 和n 一区掺杂剂量对 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 器件性能的影响，所以本章主要研究在不同的栅漏覆盖长度r 来模拟器件的性 能。 模拟中器件的参数为n 十剂量5 0 1 0 1 5 ，能量8 0 k e v ，n - 剂量1 o 1 0 1 3 ，能 量，4 0 k e v ，n - 区长度l 。为o 2 t m ，有效沟道长度l = 0 8 t m ，栅氧层厚度1 7 n m 。 下图是模拟得到的加压为= 4 5 v ，s = 3 v ，f = 0 3 9 r n 情况下器件的电 势分布。 图2 5 2 在v d s = 4 5 v ，v a s = 3 v ，f = 0 3 9 m 下器件的电势分布 在器件其他尺寸不变的情况下，调节栅漏覆盖长度r 分别为o 0 5 r n 、 o 1 t m 、0 2 9 i n ，0 3 j a m ，模拟得到的衬底电流和漏电流随漏电压的关系分别如图 2 5 3 和图2 5 4 所示。 图2 5 3 不同的覆盖长度i _ 下l s u n 随的变化关系 一；ol_ico匕t1u jo荀凸n 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 图2 5 4 不同的栅漏覆盖长度r 下i d 随v d 的变化关系 从上面两图可以看到，随着覆盖长度r 的增加衬底电流明显减小，意味着 热载流子效应得到有效抑制：而漏电流增大，即在其他条件相同的情况下，优化 后的l d d 器件电流驱动能力增大。 但是由于器件本身尺寸( 如n 一长度) 的限制，以及随着栅漏覆盖1 1 增大会 导致栅漏之间的电容增大，所以不可能把r 取的很大，一般取r = 0 2 岬就发 现l k r = o 0 5 t m 时性能有了明显改善：漏电流增加约6 0 ，衬底电流减小2 0 。 表2 5 1 是当取f = o 2 啪时，优化后的l d d 器件最大横向电场和标准m o s 以及一般l d d 最大横向电场的比较，可以看出，优化后的l d d 最大横向电场 比一般l d d 要减小3 0 。减小沟道中最大横向电场能有效减少热载流子的数量 并且降低热载流子注入栅氧层中的几率。 器件结构 e m 瓣c m 一1 标准型m o s 3 4 5 1 0 5 l d d 2 7 0 1 0 5 优化后l d d 1 9 0 x1 0 5 模拟条件：v d s = 3 3 v , v g s = i 5 v 表2 5 1 不同结构的最大电场值 第二章氧化层退化的热载流子分析与模拟 加压时i v g v d ) d u r i n gh o t c a r r i e rs t r e s s i n go f n m o st r a n s i s t o r s ”i e e et r a n se l e c t r o nd e v i c e s ，v 0 1 3 7 ，m a r c h l9 9 0 ， p 7 4 4 一p 7 5 4 3 2 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题1 】 3 1 前言 上世纪六、七十年代，介质研究的主要对象是s i 0 2 ，j r r o b e r t s 用3 h 和墙o 作示踪元素对s i 0 2 中吸收的水作了分析【2 】，确定了h 2 0 扩散的浓度曲线，得到 了扩散系数、扩散浓度、环境温度之间的关系。随着工艺技术的成熟及生产的需 要，现在已经发展出各种不同类型的薄膜介质。除了热氧化二氧化硅( s i 0 2 ) 生长 层，还有等离子淀积二氧化硅( p l a s m as i 0 2 ) ，氮化硅( s i 3 n 4 ) ，低压化学汽相 淀积掺磷氧化硅( l p c v dp s g ) ，正硅酸乙酯( t e o s ) ，s o g 等。人们运用各 种办法来测量薄膜宏观机械、电学的特性以及微观结构：如用红外吸收谱研究低 氢等离子增强化学汽相淀积氮化硅( p e c v ds i 3 n 4 ) ，s o g ；用热脱附谱研究 s o g t 3 】；用扫描电子显微镜研究s o g 的平面化问题；用x 射线光电子谱观测 t e o s 的微结构等。 掺磷氧化硅，又称磷硅玻璃( p s 6 ) 是磷硅酸盐玻璃( p 2 0 5 s 1 0 2 ) 的简称，将其 淀积在s i 0 2 上，可以形成s i s i 0 2 一p s g 或s i s i 0 2 一p s g s i 0 2 结构。它可以用来当 作栅与金属间的介质；由于n a + 等可动电荷在p s g 中的溶解度比s i 0 2 高三个数 量级，因此p s g 可以用来吸收和固定n a + 和其他可动金属电荷；用来覆盖无源 层，给无源层提供机械保护；为硅中掺磷充当固体扩散源。由于p s g 的这些优 良性能，它被广泛应用于半导体器件的生产制造中。 然而，在p s g 的应用中还存在一些问题，影响器件的可靠性，其中最主要 的就是p s g 薄膜容易吸水。p s g 薄膜是在4 0 0 左右，s i h 4 与p h 3 氧化淀积在 s i 衬底上形成的。在薄膜生长过程中有水分子生成，水分子会进入p s g 薄膜中。 当p s g 暴露在空气中，环境中的水分子也会吸附到薄膜表面，进而往p s g 薄膜 体内扩散，这些水分子都会影响膜的质量。如p s g 吸水后，p 2 0 5 水解生成偏磷 酸，钻蚀金属铝膜。p s g 中的h 2 0 还有可能扩散到硅栅的下面，也会导致器件 失效。 3 2 水在掺磷氧化硅薄膜中吸附的理论模型 为了研究p s g 吸水问题，我们从薄膜的生长、水分子在薄膜表面的吸附和 水分子向薄膜内扩散等过程来建立模型。 3 2 1p s g 生长过程中h 2 0 分子的淀积 用c v d 方法制备的p s g 生长的反应方程式是： s i h a + 2 p h 3 + 6 0 2 = s i 0 2 + p 2 0 5 + 5 h 2 0 ( 3 2 1 ) 3 3 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题 生长过程中有水分子生成，h 2 0 分子也夹杂在s i 0 2 和p 2 0 5 中，淀积在p s g 薄膜上。此过程中，h 2 0 在p s g 中可以认为是均匀分布的，用o 来表示生长过 程中单位体积内淀积的h 2 0 浓度。和各种气体流量、温度、压强等工艺条件 有关，n o = f ( p ，t ，u ，v 2 ，u ) 。p 是大气压强，丁是绝对温度，。】、v 2 、”3 、 v 4 表示s i l l 4 、p h 3 、n 2 、n 2 0 等气体的参数。的大小可以通过实验测得。 3 2 2 环境中h 2 0 分子在薄膜表面吸附 制备好的p s g 暴露在空气中，h 2 0 分子在薄膜上的吸附十分迅速，所需时 间远小于扩散时间。可以假设：1 ) h 2 0 分子在表面吸附与逃逸达到平衡后，h 2 0 分子再向薄膜体内扩散；2 ) 扩散引起的表面h 2 0 分子浓度减小也会立即被再吸 附上来的h 2 0 分予所补充。即h 2 0 在表面吸附达到平衡浓度盯。后，h 2 0 分子以 恒定表面浓度a 向体内扩散。 吸附过程中，数量为的h 2 0 分子在单位时间内碰撞在单位面积的p s g 薄 膜上，h 2 0 分子碰撞在未吸附空位上的几率为嗣，其中只有能量达到或者超过 吸附活化能眈的h z 0 分子才有可能被吸附。所以有： a ) 吸附速率专 。c ，= i 1 ”一0 = 了丽p ， ( 3 2 2 ) n 为分子气相密度，u 为分子平均热运动速率，p 为压强，m 为h 2 0 分子质 量，c 为玻尔兹曼常数，为绝对温度。 b 百d o e x p ( 一争， ( 3 _ 2 3 ) c ) 粤o c ( 臼) ， d f d ) 考虑到碰撞在空位上的h 2 0 不能全部吸附， 数c ， 最后得到吸附速率为： 堕d t = c 兰4 2 = m k t 厂( 目) e x p ( 一冬k 7 ) 。 ( 3 2 4 ) 存在吸附几率也即粘附系 ( 3 2 5 ) 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题 3 2 3 薄膜表面h 2 0 分子往薄膜内扩散 h 2 0 分子的扩散是以q = 粤为恒定浓度向体内扩散( 只考虑单层吸附情 况) ，d 为水分子直径。 只考虑一维扩散，扩散方程为：d u ( x , t ) ：d 尘竺孥堕。 ( 3 2 6 ) d f 出 n ( x , o 为与时间位置有关的扩散进入薄膜的水分子浓度。d 表示h 2 0 分子扩 散系数，单位是c m 2 s ，d 的大小与扩散温度有关。_ d 的表达式为： _ d = d o e x p ( 一争。 ( 3 2 7 ) 玩是常数，4 e 是与扩散过程有关的激活能。当磷的浓度发生变化时，4 e 也发生变化：当磷的浓度增加时4 e 减小，因而d 增大，h 2 0 分子往薄膜体内 扩散更加容易，p s g 薄膜中的h 2 0 含量也相应增大“。所以，扩散到薄膜中的 h 2 0 分子浓度是温度凡距离工、时间t 的函数。 在表面浓度恒定为q 的扩散条件下，方程解为： w ) = q 1 一寺f 瓜e x p ( 一旯2 ) d 2 3 2 8 另外在初始的时候即f = o ：n ( ，o ) = 0 ( 3 2 9 ) 也就是h 2 0 没有扩散进入薄膜内部。 3 2 4 小结 综合上面三个小节，我们可以得到： h 2 0 分子在p s g 薄膜中总的浓度：n ( x ，t ) = n ( 五t ) + n o ， 特别地：n ( x ，0 ) = n o q 瓮 。 五 图3 2 ih 2 0 分子在p s g 薄膜中总的浓度示意图 ( 3 2 1 0 ) ( 3 2 1 1 ) 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题 h 2 0 分子在p s g 薄膜中总的含量q 为与时间有关的函数： q ( f ) = ( x ，f ) 血。 ( 3 2 1 2 ) 0 当然薄膜的厚度不可能无限大，如果薄膜的厚度为x o ，那么上式改为 j o q ( f ) = f ( x ，f ) 出 ( 3 2 1 3 ) 0 。 初始条件下，q ( o ) = n o d x = n o x 。 0 q 0 0 oi 23t ( 3 2 1 4 ) 图3 2 2 水在p s g 中含量随时间关系示意图 q 阢砂随时间变化关系示意图如图3 2 2 所示，在横坐标为。处q 的大小和 薄膜厚度可以得到的大小。 3 3 实验仪器及实验过程 3 3 1 实验仪器 实验中使用的仪器是m t m 公司生产的w t - 2 6 8 热脱附分析仪，装置的示意 图如图3 1 所示。它有两个真空管：一个是样品管，另一个是本底管( 用来消除 本底) 。整个装置通过机械泵和涡轮分子泵抽真空，最终压强p 1 0 p a ，样品管 和本底管通过电阻丝加热，以2 0 c m i n 均匀升温，最高可以达到1 0 0 0 。c 以上。 第三章热脱附谱研究水在掺磷氧化硅中的吸附问题 气口 图3 3 1 w t - 2 6 8 热脱附分析仪示意图 w t - 2 6 8 热脱附分析仪有两种工作模式，一种是r g a ( 残余气体分析) ，另 一种是t o t