（物理电子学专业论文）sic+mos界面氮等离子体改性及电学特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 碳化硅( s i c ) 半导体由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等优异特性，使其在 高温、高功率、高频、高辐射等领域应用前景广阔，其研究广为关注。与其它宽带隙半 导体相比，s i c 能够像硅那样通过热氧化工艺生长氧化膜，这使得它更容易在成型的硅 器件体系下设计和制作基于m o s ( 金属氧化物半导体) 结构的器件。然而实际制作的 s i cm o s 器件沟道迁移率较低，其主要原因是由于s i 0 2 s i c 的界面态密度过高。因此 如何降低s i 0 2 s i c 的界面态密度成为s i cm o s 器件研究中的关键技术问题。 本文首先探讨了s i 0 2 s i c 界面态起源及其研究方法，紧接着研究s i cm o s 器 件工艺，在4 h s i c 衬底上通过干氧氧化生长s i 0 2 绝缘层，为了能够更好的改善界 面性能，采用对氧化膜损伤较小的e c r ( 电子回旋共振) 等离子体处理系统产生的高 活性n 等离子体处理s i 0 2 s i c 界面，并与未经处理的样品对比，研究其处理效果。本 文着重分析了不同工艺下制作的s i cm o s 电容样品的电学特性。通过i v 测试和 f o w l e r - n o r d h e i m 隧道电流模型解析进行氧化膜可靠性评价，获得的氧化膜击穿场强达 9 9 6m v c m ，s i 0 2 s i c 势垒高度达2 7 0 e v ，同时验证了e c r 系统的氮等离子体处理 没有劣化氧化膜的耐压特性。通过高频准静态c v 测试评价s i 0 2 s i c 界面特性， 获得了不同工艺下界面态密度分布和氧化膜中的电荷分布情况，并且经氮等离子 体处理的样品的界面态密度在费米能级附近低减至2 2 7 x 1 0 1 2 c m 之e v 。 本文的研究结果表明，s i cm o s 工艺中采取干氧氧化结合氮等离子处理工艺的方法 能够有效地改善s i 0 2 s i c 界面特性，获得理想的氧化膜击穿耐压的同时，使界面态密度 显著降低，这对s i cm o s 器件工艺的改善和深入研究具有重要意义。 关键词：s i o ：s i c ；m o s 电容；氮等离子体；界面态密度 s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fn i t r o g e np l a s m am o d i f i e da n de v a l u a t e ds i c m 0si n t e r f a c e a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i sav e r yp r o m i s i n gm a t e r i a li nt h ef i e l d so fh i g ht e m p e r a t u r e ， r a d i a t i o nr e s i s t a n t ，h i g hf r e q u e n c ya n dh i 曲p o w e rd e v i c e sd u et oi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c h a sw i d eb a n d g a p ，h i g l lc r i t i c a lb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l d ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h i g h s a t u r a t e dc a r r i e rd r i f tv e l o c i t y b e s i d e s ，s i ci st h eu n i q u ec o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l w h i c hc a nb et h e r m a lo x i d i z e dt of o r ms i 0 2i n s u l a t i n gf i l mi nas i m i l a rw a yt os i l i c o n t h i s p r o p e r t yo f f e r st h ep o s s i b i l i t yo fm a n u f a c t u r i n gs i cm e t a l - - o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r s ( m o s f e t ) d r a w i n gl e s s o n sf r o mt h ep r o c e s s e so fs i l i c o n h o w e v e r , t h ec h a n n e l m o b i l i t yo fp r a c t i c a ls i cm o s f e t i sv e r yl o w d u et ot h eh i g hs i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a pd e n s i t y a sar e s u l t ，h o wt or e d u c et h es i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a pd e n s i t yh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n t p r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h eo n g mo ft h es i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a pd e n s i t ya n dt h er e s e a r c hm e t h o d s w e r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h es i cd e v i c ep r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d t h eo x i d ew a sg r o w n o nt h e4 h s i cs u b s t r a t eb yd r yo x i d a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r f a c ep r o p e r t y ，t h e n i t r o g e np l a s m aw a su s e dt ot r e a tt h es i 0 2 s i ci n t e r f a c e ，t h enp l a s m aw a so b t a i n e db y e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e ( e c r ) p l a s m as y s t e m ，w h i c hc o u l dp r o d u c eas m a l ld a m a g ei n t h eo x i d ef i l m t h enp l a s m at r e a t m e n te f f e c tw a si n v e s t i g a t e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n ts a m p l e s t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ee l e c t r o n i cp r o p e r t i e so ft h em o sc a p a c i t o r s ， w h i c hw e r eo b t a i n e dt h r o u g hd i f f e r e n tp r o c e s s e s t h er e l i a b i l i t yo ft h eo x i d ef i l mw a s e v a l u a t e db yt h ef o w l e r - n o r d h e i mt u n n e lc u r r e n tm o d l ea n dt h ei vc h a r a c t e r i s t i ct e s t t h e o b t a i n e db r e a k d o w nf i e l do ft h eo x i d ef i l mw a sa sh i g ha s9 9 6m v c m ，a n dt h eb a r r i e rh e i g h t o ft h es i 0 2 s i cs y s t e mw a s2 7 0 e v i na d d i t i o n , t h er e s u l ti n d i c a t e dt h en p l a s m at r e a t m e n t d i d n td e t e r i o r a t et h ev o l t a g ew i t h s t a n dp r o p e r t yo ft h eo x i d ef i l m t h eh f q sc - v c h a r a c t e r i s t i ct e s tw a sc o n d u c t e d ，t h es i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a pd e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h e c h a r g ed i s t r i b u t i o nw e r eo b t a i n e d t h er e s u l ta l s os h o w e dt h a tt h es i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a p d e n s i t yw a s a sl o wa s2 2 7 x10 1 2 c i n 2 e va tf e r m il e v e l i ns u m m a r y ，t h er e s u l t so ft h i sp a p e rs h o w e dt h a tt h enp l a s m ap r o c e s sc o u l di m p r o v e t h es i 0 2 s i ci n t e r f a c ep r o p e r t i e s t h el o ws i 0 2 s i ci n t e r f a c et r a pd e n s i t yw a so b t a i n e d , w h i l e t h ev o l t a g ew i t h s t a n dp r o p e r t yo ft h eo x i d ef i l mw a sv e r yg o o d t h e s er e s u l t sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei ns t u d y i n ga n di m p r o v i n gt h es i cm o s f e tp r o c e s s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s s i 0 2 s i c ；m o sc a p a c i t a n c e ：np l a s m a ；i n t e r f a c et r a pd e n s i t y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目“s i 丛立s 显壹氢笺盛箜丝盥皇鲎兰刍：堕翻究 作者签名：_ 7 么 _ 龟1 日期：二k 蛆年j 三月二玉日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 一 每亚荭 日期：2 竺廛年上月二兰l 日 日期：巡年上月琴日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着微电子技术飞速发展，传统的硅和砷化镓半导体材料出于自身结构和特性的原 因，在高温、高频、光电、高功率及抗辐射等方面越来越显示出其不足和局限性。众所周 知，硅器件难以在高于2 5 0 的高温下工作，特别是当高的工作温度、大功率、高频及强 辐射环境条件并存时，硅器件就无法“胜任 。在科学技术飞速发展的今天，越来越多的 领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需要能够承受高温同时又在高 频大功率、抗辐射等方面具有良好性能的半导体器件，开发研制这些半导体器件已经成为 半导体领域的一个新兴课题【1 , 2 】。在这个过程中，系列新型的半导体材料越来越引起人 们的重视，其中，以一族宽带隙化合物半导体材料s i c 的优点最为突出。 s i c 材料有着悠久的历史，早在1 8 2 4 年，s i c 材料就已经诞生，但由于它具有非常稳 定的物理和化学特性，给高温单晶生长和化学机械处理带来很大的困难，所以在一定的时 间内，s i c 的发展受到了相当的限制。随着1 9 7 8 年的大面积s i c 籽晶升华生长法的出现 以及随后s i c 薄膜制备技术的完备，而且高温器件的需求在许多领域凸现出来，这样就为 s i c 材料的发展提供了良好的基础。而且现在s i c 材料以其良好的物理特性引起了微电子 及材料领域的极大的关注。 表1 1 列出了几种半导体材料基本特性的比较【3 4 】。从表中我们可以看出，s i c 材料具 有优异的电学特性和热学特性。s i c 化学性能稳定，在室温不受任何化学腐蚀剂腐蚀；电 子饱和速度是s i 的两倍，这使得s i c 器件具有低的导通损耗及优良的微波特性；热导率 则是s i 的3 倍，这有助于s i c 器件的散热，提高功率密度和s i c 集成电路的集成度：而 临界击穿电场是s i 的1 0 倍，这也极大地提高了s i c 器件的耐压容量、工作频率和电流密 度。s i c 特有的宽禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率、高载流子饱和漂移速度等【5 j 特 性使s i c 成为实现高温与高功率、高频及抗辐射相结合的理想材料，和氮化镓、金刚石材 料一起被誉为是发展前景十分广阔的第三代半导体材料。另外，禁带宽度越大就越可以使 其工作在高温环境，并且可以大大提高抗辐射性能。 s i c 材料最显著的特征是存在同质异型体现象，目前已被证实的多型体已超过2 0 0 多 种。其中最具代表性的两种是4 h s i c 和6 h s i c ，由于在单晶生长工艺的成熟性以及较好 的重复性，它们在研制半导体电子器件中被广泛应用。6 h s i c 具有宽的带隙，在光电子 学、高温电子学、抗辐射电子学和高频大功率器件领域具有应用价值。6 h s i c 制作的高 频大功率器件能使固态电路的功率密度至少提高4 个数量级，并大大地提高了这些器件的 工作温度。而4 h s i c 的禁带宽度( 3 2 6 e v ) 比6 h s i c ( 3 0 c v ) 大，同时，4 h s i c 的电子迁 移率是6 h s i c 的两倍，这个特性使得4 h s i c 在大功率器件中有着比较明显的优势。另外， s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 与6 h s i c 相比，4 h s i c 具有更高的体迁移率并且具有较小的各向异性，这就使得4 h s i c 更适用于研制功率器件。 表1 1 室温下几种半导体材料特性的比较 t a b 1 1 c o m p a r i s o no fs e v e r a ls e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s p r o p e r t i e s 注：d 一可行；x _ 一不可行 1 1 课题研究的背景及意义 同其他宽禁带半导体材料相比，s i c 被如此重视的原因还在于，它是除了s i 之外唯一 一种能通过热氧化形成稳定的绝缘层s i 0 2 的宽禁带半导体材料，只不过需要更高的氧 化温度，就击穿场强而言s i c 上热生长的s i 0 2 质量与s i 相当。这就使得用s i c 可以使用 与s i 相同的设备实现所有的s im o s 器件的结构，对于用其制作在集成电路中应用最广的 m o s f e t 有着重大意义，并且s i c 器件工艺和设备都与s i 器件有很强的兼容性。它在微 电子、光电子等领域起到了独特的作用，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的 热点。表1 2 列出了s i c 器件在高频、高功率和高温方面的主要应用范围以及其优点。根 据i e e ei s p s d 会议历年的研讨，未来十年内s i c 将取代s i 成为制造功率器件的主要材料， 前景广阔，其研究具有重要的战略意义。但是，s i c 功率器件能否如预言那样如期广泛应 用，还取决于器件工艺关键问题的解决情况。事实上，s i cm o s f e t 的期望优势还远未得 到发挥，主要问题是反型沟道有效迁移率过低，导致跨导、导通电阻等输出特性变差，单 从体材料来讲，s i c 有着很高的迁移率，6 h 和4 h s i c 的体电子迁移率分别为4 0 0 c m 2 v s 大连理工大学硕士学位论文 和8 0 0 c m 2 v s ，而传统热氧化工艺制备的6 h 和4 h s i cm o s f e t 的反型沟道电子迁移率 却只有3 5 - 5 0 c r n 2 v s 和4 5c m 2 v s 【6 1 。 表1 2s i c 的主要应用范围及优点 t a b 1 2 a p p l i l c a t i o na n ds u r p e r i o r i t i e so f s i c s i 0 2 s i c 界面较高的界面态是导致s i cm o s f e t 反型沟道电子迁移率过低的主要原 因【7 8 】，高界面态使s i cm o s 器件的性能严重退化，导致了沟道迁移率低、开关速度慢、 影响器件迁移率，还会增大泄漏电流，导致阈值电压和低频1 f 噪声的增加等，所以界面 态问题从根本上阻碍了s i c 功率m o s f e t 应用潜力的发挥。虽然近年在制备高质量s i c m o s 界面的工艺方面做了不少探索【8 以1 1 ，但s i 0 2 s i c 界面态仍比s i 0 2 s i 至少高一个数量 级【1 2 1 ，在这一背景下，如何通过改善工艺降低m o s 器件的界面态密度就成为了s i c 材料 在功率m o s f e t 应用中需要解决的首要问题。 s i cm o s 界面氮等离子体改| 生及电学特性研究 1 2国内外发展状况 s i cm o s 器件工艺研究的热点主要在氧化工艺和氧化后退火工艺两个方面。湿氧和干 氧氧化是最常见的氧化工艺。h y a n o 等人【l 3 】提出了一个湿氧氧化和干氧氧化界面态分布 模型。该模型认为，湿氧产生较大的受主界面态，由于4 h s i c 的禁带宽度较大，而1 5 r s i c 的禁带宽度较小，因此导带附近的受主型界面态对4 h s i cm o s f e t 沟道迁移率的影响较 大，而对1 5 r s i c 影响较小。文献【1 4 】比较全面的比较了这两种氧化方法，结果表明，湿氧 氧化和湿氧氧化再退火工艺减小了深界面态密度，但是湿氧再氧化工艺却在氧化层中产生 了负的电荷。作者认为，湿氧氧化消除了不希望看到的c 的化合物，湿的气氛中的氢终止 了s i c 表面的悬挂键，使界面态密度减小；而湿氧再氧化产生了o h 。，在通常的退火温度 下没有扩散出去，从而在氧化层中产生负的电荷。 退火工艺是影响界面质量的重要因素之一。常规的氧化后退火( p o a ) 工艺是a r 退 火工艺，但是舡退火样品的界面态密度很大。于是有人【1 5 】采用h 2 作为氧化后退火气氛， h 原子具有终止s i 和c 悬挂键的作用，从而减小界面态密度。而对于8 0 0 以上的h 2 退 火处理，界面态密度减小达到饱和，说明8 0 0 的温度已经足以使h 原子终止悬挂键。其 他的退火方面还有，湿氧干氧再氧化退火，其中湿氧再氧化退火所起的作用和湿氧氧化 相似，而干氧氧化退火不起到改善界面质量的作用。 尽管h 2 退火处理对减小界面态密度是有效的，但是很快有人发现，h 2 退火处理有 着非常明显的缺陷，这是由于h 2 退火处理形成的s i h 键键能较小，因此这样得到的氧化 层可靠性较差。于是n o 和n 2 0 氮化技术成为当前研究的热点【1 6 以8 1 。氮化技术包括氮氧 化物氧化技术和氮氧化物退火技术。其中的氮氧化物包括n o 和n 2 0 。p h i l i p p ej a m c t 等人 19 】提出了一种氮化模型。在s i 0 2 s i c 界面，氮化有两种作用：( 1 ) 生成了强的s i 兰n 键，钝化了由于悬挂键和s i o 键而形成的界面陷阱。悬挂键被n 所填充，而s i o 则被s i g n 键所代替，这两种情况都改善了栅氧化层的可靠性【2 0 1 。而且界面态密度也显著 减小。( 2 ) 消除了界面上的c 以及与其相关的复杂的硅氧碳键。在氧化过程中，大部分 c 都以c o 的形式释放出去，而有部分被释放的c 原子在界面上堆积成c 簇，起界面态的 作用，在界面上生成复杂的硅氧碳化合物。氮化的作用之一就是消除了界面上的c 簇。 据报道，n o 退火可以显著改善氧化层的电特性【2 1 。2 4 1 。而n 2 0 是一种无毒的气体，它 可以用来替代n o 2 5 2 6 1 进行氮化处理。n 2 0 退火会使界面态密度增加【2 7 之9 1 ，但同时文献 3 0 】 发现，n 2 0 ( n o ) 生长氧化层具有比n 2 0 ( n o ) 退火氧化层更好的电特性。这可以用不 同的初始条件来解释，对于直接生长的情形，n 的c 消除行为从初始表面开始并与界面出 c 的释放同时进行，存在于初始表面上的任何c 簇种子都被消除。这样，由于c 的释放 大连理工大学硕士学位论文 所产生的c 簇可以维持在一个很低的水平。与直接氧化相反，s i c 在缺少n 的气氛中氧化 导致c 在界面上的积累，这就以为这初始缺陷的吸附能力得到加强。氧化后进行的氮化技 术确实减小了c 簇和相关的硅氧碳化合物，但是他仅会消除与退火同时发生的氧化所释放 的c ，界面态可能永远不能恢复到直接氧化的水平。 文献【3 ”发现n o 退火对界面的改善作用要强于n 2 0 。这是因为纯n o 可以将更多的n 引入界面上【3 2 】。在11 3 0 下，n 2 0 气体分解为n o ( 1 5 ) ，0 2 ( 2 5 7 ) 和n 2 ( 5 9 3 ) ， 这样的副产物将会导致相互竞争的两个反应：( 1 ) n o 将n 引入并以较低的速率氧化衬 底：( 2 ) 而0 2 则以较高的速率氧化衬底。n o 消除c 而0 2 氧化又释放更多的c ，这样 由于n o 的作用，c 的积累速度变缓，但仍有一部分c 滞留在界面上。优化n 2 0 氮化工 艺就必须消除这种竞争关系的不理影响。一个可能解决的办法就是稀释氧化气体n 2 0 。 j a m c t 等人发现 3 3 】，1 0 n 2 0 ( 在n 2 中稀释) 氧化工艺所得到的氧化层质量要好于1 0 0 n 2 0 氧化的氧化层。他们认为。在1 0 n 2 0 中，由于氧化所造成的c 的积累速度和由于氮化 所造成的c 的消除速度相近，由此可以得到最优化的结果。文献【3 4 】的研究结果表明，n o 退火所造成的s i 0 2 s i c 界面上n 的引入主要依赖于氮化温度而不是氮化时间。当氮化温 度升高，界面态密度显著降低。n o 退火时间对界面质量的影响不是很显著。 这些研究结果表明：氮化技术所得到的m o s 器件具有较好的界面和氧化层质量，使 器件可靠性显著增强。因此氮化技术是一种研制高质量和高可靠性s i cm o s f e t 的有潜力 的技术。 为提高氧化层质量，除了改善氧化和退火气气氛外，还有人提出表面净化技术。最近 的研究表明【35 1 ，h 2 表面净化技术可以改善界面质量，因为该技术可以形成h 终止的表面， 减少了悬挂键，但是s i h 键的键能较小，氧化层可靠性较低。于是又有人提出n h 3 净化 技术【3 6 1 ，氧化前用n h 3 进行处理可以形成较强的s i - n 键，同时n h 3 处理可以得到较小的 施主型界面态和氧化层陷阱，这样就改善了氧化层及界面质量，增强了氧化层的可靠性。 1 3 本文的主要工作 国内外采用的氮体系s i 0 2 s i c 界面特性改善的研究，均在n o 、n 2 0 等气体氛围中进 行退火处理，为了在界面引入更多的n ，提高界面特性，本文则首次采用e c r ( 电子回旋 共振) 等离子体处理系统产生的高活性n 等离子体进行界面特性的改善，并与未经处理 的样品对比，研究其处理效果。 主要工作包括：( 1 ) s i cm o s 电容工艺流程及条件；( 2 ) 氮等离子处理工艺及条件； ( 3 ) 氧化膜可靠性评价；( 4 ) s i 0 2 s i c 界面特性分析。s i cm o s 工艺的研究是当今s i c 材料在微电子领域应用的重要内容，也是在s i c 器件，特别是功率器件研究中取得突破的 s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 基础。目前，国际上对于s i cm o s 工艺的研究很多，但却没有得出一个标准的工艺流程， 获得的参数差异也比较大，国内针对s i cm o s 工艺的研究更是不多。本文选取s i cm o s 工艺作为突破口，针对校内的实验条件，总结出能够获得性能优异的s i 0 2 s i c 界面的工艺 流程，进而为后续进行的器件研究工作打好基础。 论文章节安排如下：第2 章探讨了s i 0 2 s i c 界面态起源及其研究方法；第3 章详细介 绍了衬底前处理、氧化、氮等离子体处理和金属电极制作等工艺以及实际遇到的问题，在 大量实验基础上，总结出了最适合的工艺条件；第4 章详细分析了i v 测试的基本原理， 并通过f o w l e r - n o r d h e i m 隧道电流解析模型对氧化膜可靠性进行评价：第5 章通过高频准 静态c v 测试着重分析了s i 0 2 s i c 界面的有效电荷及界面态密度分布情况；最后总结全 文。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2si0 ：sic 界面及其评价方法 2 1m o s 系统中的界面近界面电荷 对氧化物一半导体系统而言，在氧化及后续工艺步骤中将不可避免的引入一些杂质和 缺陷。有四种常见陷阱电荷存在于氧化层和氧化物半导体界面【3 9 1 ，他们分别为：界面陷 阱电荷q i t ，固定氧化物电荷q f ，氧化层陷阱电荷q m ，可动离子电荷q m 。这些电荷对 m o s 器件性能的影响极大。图2 1 给出了s im o s 系统中的这四种电荷的位置示意图。 从图中可以看到，界面陷阱电荷、氧化层固定电荷和部分氧化层陷阱电荷为界面近界面 审荷。 氧峰陷挚峄 可动离子电荷q 十+ + 一一一 氧化层固定电荷q r 田田口口口口 一 、 界面陷阱电荷q h 篁 金属 图2 1 氧化层及界面电荷分布 f i g 2 1c h a r g ed i s t r i b u t i o nb e t w e e no x i d ea n di n t e r f a c e 2 1 1 界面陷阱电荷 在氧化物半导体界面出，位于半导体禁带内的能级俘获或发射电子( 或空穴) 引起 的电荷就是界面陷阱电荷q i t ，它可以为正电荷或负电荷。对于s i s i 0 2 系统，这些电子能 级是由界面处的结构缺陷( 如晶格失配、悬挂键等) ，硅表面吸附的杂质原子，氧化产生 的缺陷，辐射或者热载流子效应导致化学键断裂而产生的缺陷引起的。界面陷阱电荷是最 重要的种陷阱电荷，会引起m o s 器件性能严重退化，是导致s i cm o s f e t 沟道迁移率 过低的主要原因 4 0 - 4 3 】。这种电荷又叫表面态、快态或界面态。界面态密度( 界面陷阱密度) 的定义为每单位能量单位面积的界面陷阱数目( 陷阱数( c m 五e v l ) ) ： t她i十&上 s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 。n q 警 ( 2 1 ) d 乜i t 其中，e t 为界面陷阱能级。界面态分为类受主型( 即有电子占据时为负，反之为中性) 和 类施主型( 即无电子占据时为负，反之为中性) 。一般认为禁带上半部分的界面态为类受 主型，禁带下半部分的界面态为类施主型。界面态的填充情况和其它电子能级一样，也是 由费米能级的位置决定，因此依赖于表面势的变化。在现代s im o s 器件中，通常采用在 h 2 中低温( s 5 0 0 ) 退火的方法对界面态进行钝化。另外，由于 晶向硅表面的有效 化学键密度较低， 晶向的d “约比 晶向的低一个数量级。 2 1 2 固定电荷 固定电荷是指位于氧化层中距离氧化物半导体界面2 n m 范围内的不可动电荷，起因 于氧化过程或各种杂质原子造成的结构缺陷( 离化的s i ) 。通常，q f 是正电荷，不会与衬 底的半导体发生电交换。它和氧化气氛，温度，退火条件以及半导体的晶向有关。 对s im o s 而言，与界面陷阱电荷类似，s i 晶向的q f 较小。但q f 与中的杂质类型、 杂质浓度、氧化层厚度、氧化时间等无关。q f 依赖于最后的氧化温度，最后的氧化温度越 高，q f 越低，而且在惰性气氛( 如n 2 ，a t ) 中退火可以降低q f 【删。当存在中等密度的界面 陷阱电荷的时候，固定电荷密度无法准确测量。对于s im o s 器件，可以在h 2 或者混合 气体( n 2 加5 1 0 h 2 ) 低温退火，使得界面态密度大大降低后测量。而在s im o s 器件中， 由于界面态密度较高，到目前为止，没有见到准确测量q f 的报道。 2 1 3 氧化层陷阱电荷 氧化层陷阱电荷由于s i 0 2 中的缺陷引起的。氧化层陷阱通常是电中性的，但它可以 通过离化辐射( 如x 射线，电子束等) ，雪崩注入，f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿等机制引入电 子和空穴使其俘获电荷。与q i ，类似，它可以是正电荷( 俘获空穴) ，也可以是负电荷( 俘 获电子) 。不同于固定电荷，有些时候氧化层陷阱电荷可以通过低温热处理退火消去，但 是可能留下电中性的陷阱。 如果氧化层陷阱离氧化物半导体界面距离较近，则有可能与衬底发生电交换【4 5 】，此 时，其行为类似界面态，但电交换时间较界面态要长。因此这种情况下氧化层陷阱又经 常被称为“边界陷阱 ，m 陧陷阱 ，“近氧化层陷阱 和“慢界面态 ，统称边界陷 阱。边界陷阱也被认为是影响s i cm o s 界面质量的一个重要因素【4 6 4 8 1 其起因可能是由于 过度层中过剩的s i ( s i s i 键，即氧空位) 4 6 , 4 7 1 。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2si0 2 sic 界面态起源 s i 0 2 s i c 界面态的起源还没有被完全弄清楚，但是很多研究者提出了一些假设，有一 些已经被证明是错误的，也有一些能较好的解释实验现象。 2 2 1 衬底杂质 在早期的研究中，因为观察到氧化过程中杂质灿会扩散到氧化层，b r o w n 等人提出 杂质灿是p 型s i c 界面态起源的主要原斟4 8 1 。后来s h e n o y 等人证实使用b 代替舢并没 有导致界面态密度的减少 4 9 】，而且a f f a n a s e v 等人发现杂质砧的浓度在4 1 0 1 6 c m 。3 到4 x1 0 1 7 c m 3 变化对界面态密度并没有影响【4 6 】。后来有研究者进一步提出界面态密度应该来 源于s i cm o s 结构中的一些本证缺陷，这些缺陷与杂质无关【4 6 , 4 7 , 5 0 。 2 2 2 悬挂键 悬挂键( 即处于悬挂状态的化学键) 的影响是界面态无法避及的话题。对于s i 0 2 s i 系 统，界面处的s i 悬挂键是界面态主要来源，并可通过氢退火使其数量显著降低。而一些 理论研究表明这种界面态也同样存在于s i c 禁带的下半部，有研究利用e s r 技术对无定 形碳表面生成的相似界面进行类比实验时，观察到了顺磁性中心，而它们源于碳原子的悬 挂键。可是，研究者们发现s i cm o s 结构在h 2 中经过低温退火后，界面态虽略有降低但 并未得到有效改进【4 6 - 4 7 1 ，由此可推断：悬挂键并不是s i 0 2 s i c 界面态的主要来源。 2 2 3s i0 ：sic 界面处的c 簇 很多研究发现氧化导致s i 0 2 s i c 界面存在残余的c 簇，并认为这些c 簇与界面态密 度有直接的关系 5 1 羽】。b a s s l e r 等人提出一个c 簇模型5 4 1 ，认为残留于界面的c 原子之间 以s p 2 键连接在一起，形成宽能带的c 簇。这些c 簇或c 原子的部分能级位于s i c 禁带的 下半部分，成为类施主型界面态。当c 簇较大时，会形成类石墨态，它们的能级正好位于 s i c 禁带的上半部分，成为类受主型界面态。 2 2 4 边界陷阱 离界面态较近的氧化层陷阱能够与衬底发生电交换，成为边界陷阱，被a f a n a s c v 等 人【4 6 ，5 0 】和p e n s l 等人【4 7 1 认为是s i 0 2 s i c 界面态的另一个比较重要的来源。通过光激发的电 子隧穿观测到离s i 0 2 s i c 界面1 5 0 n m - - 2 0 0 n m ，s i 0 2 导带下2 8 e v 存在大量的边界陷阱。 由于s i c 各种多型体的价带具有相同的能量，而4 h s i c 的禁带宽度大于其他多型体( 如 3 c ，6 h s i c ) ，使得这些边界陷阱刚好位于4 - i s i c 的禁带内，而在其他多型体和s i 的禁 带外，因而成为4 h s i c 导带附近界面态的主要来源，也造成了4 h s i c 导带附近的界面态 密度分布比其他多型体更为陡峭。这些边界陷阱可能起源于氧化层中一个富含s i 的过渡 s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 层，因此形成了很多s i s i 键，或者说氧空位。该过渡层是由于界面应力导致了s i 的互扩 散造成的。 2 2 5 界面处的si ，c 过渡层 c h a n g 等ht 5 1 , 5 5 和j e m g a n 5 6 , 5 7 】等人观察到在s i c 和s i 0 2 之间存在一个s i 。c ( x 1 ) 的过渡层，认为该过渡层也是界面态的来源之一。与边界陷阱的来源不同之处在于，该过 渡层位于界面和s i c 之间，而产生边界陷阱的过渡层位于s i 0 2 层靠近界面处。d a s 认为该 过渡层会形成无定型s i ，从而在s i c 的禁带内引入s i 的导带和价带能级5 8 1 。 2 3 界面态评价 对s im o s 器件来说，目前已存在很多成熟的测量方法来获得界面态密度，如高频 ( t e r m a n ) 方法，高低频( 准静态) 方法，电导方法，电荷泵方法( c h a r g e p u m p i n g m e t h o d ) 等。由于宽带隙半导体与s i 材料的一些特性有显著的差异，将这些测量方法应用于s i c 的时候必须仔细考虑。 2 3 1 s i c 禁带中界面态的响应时间 界面态的响应时间与它到能带边缘的距离成指数增长。对于s i c 这种宽带隙半导体， 童 喜 琶 8 o e c 图2 2 时间常数与界面态能级位置的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ec o n s t a n ta n di n t e r f a c ee r l e r g yl e v e l s，-一3c，lojbm芷_i一30c 大连理工大学硕士学位论文 室温时禁带中的深界面态的响应时间可能达几年。以p 型半导体为例，从界面态发射 的空穴到价带的时间常数可以写为【5 9 】： f ( e ) ：上e x p ( 墅生) ( 2 2 ) 9 v t h n v k t 其中，c r p 为俘获截面，为电子运动速度，e ，为价带能级。图2 2 给出了由( 2 2 ) 式计 算出来的6 h s i c 时间常数在不同温度下与界面态能级位置的关系，右轴为时间常数的倒 数，即频率。图中的水平线代表了几种常用的界面态测量方法的截至频率，从图中可以看 出在给定的温度下这些测量方法能够精确测量的界面态的能量范围。 2 3 2 高频( t e r m a n ) 方法 t e r m a n 方法是测量界面态密度最简单也最直接的一种方法，1 9 6 2 年首次由t e r m a n 提出。这种高频c - v 测量方法是建立在一定的假设基础上的：( 1 ) 假设界面态在禁带下 半部分为类施主型，上半部分为类受主型；( 2 ) 认为在测量电压频率足够高的时候，界 面态无法响应栅压中的交流信号，但是可以跟随栅压中直流信号的缓慢变化，因此界面态 对高频电容没有贡献，但对表面感生电荷有贡献，会引起高频c v 曲线沿栅压方向伸展， 如图2 3 所示。由第一个假设知，西。= f 时，q ；。= o ，实验高频c - v 曲线与理想高频c v 曲线相交。 栅压v 图2 3 界面态引起的c _ v 曲线伸展 f i g 2 3 c - vc u l v ee x t e n d sd u et oi n t e r f a c es t a t e s i cm o s 界面氮等离子体改性及电学特性研究 以p 型s i c 为例，理想s i cm o s 电容等效电路图如图2 4 ( a ) 所示。在高频情况下， 少子和界面态电荷都无法响应栅压中的交流信号，对总电容的贡献可以忽略，因此，s i c m o s 高频电容为： c m = c 亡+ 妒2c 专+ 去， 泣3 ， 其等效电路图如图2 4 ( b ) 所示。又由于界面态可以跟随栅压中直流信号的变化，且室温 下，认为少子浓度为0 ，栅压可以表示为： 以上两边对。求导可得： v g ：k + 中。q b + r q p 一+ q i t 。o x 黑- 1 + 上( c b + c p + c i t ) c d so x ； 。甜 一 一 - ：- g岛 _ _ _ _ 一 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 他( c ) 图2 4s i cm o s 电容等效电路图( a ) 总的电容，( b ) 室温高频，( c ) 室温低频 f i g 2 4e q u a lc i r c u i to fs i cm o sc a p a c i t o r ( a ) t o t a lc a p a c i t o r ，( b ) h i g hf r e q u e n c yi nr o o mt e m p e r a t u r e ， ( c ) l o wf r e q u e n c yi nr o o mt e m p e r a t u r e ；蕊一一； 大连理工大学硕士学位论文 因此联立( 2 3 ) 和( 2 5 ) 可以得到： c i t = c o x ( 毒- 1 ) - c s 根据界面态密度的定义式( 2 1 ) 有： ( 2 6 ) d “：三盟；! 盟垒 ( 2 7 ) “qd e 。qd 。d e 在界面处有e 。= e 帕一q 。，e 表示能带弯曲前界面陷阱的能级。由于d i t 的常用单位为 e m - 2 e v - 1 ，所以式( 2 7 ) 可以简化为： d i t ：f i t ( 2 8 ) q 因此，由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) 得到界面态密度为： 。“。 c 舞山- 鲁 9 ， 考虑理想情况下，栅压可以表示为： k 捌屯+ 。f q b + q p ( 2 1 0 ) 在表面势相同的情况下有： v g = v g k 删一f q i t ( 2 11 ) 因此联立式( 2 8 ) 和( 2 1 1 ) 可以得到界面态密度的另一个表达式： d i(212)t-cox d ( a v g ) qq 山。 如果知道了v g 和。的对应关系，就可以根据式( 2 9 ) 和( 3 1 2 )