氮化H2-O2合成薄栅介质的击穿特性.pdf

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1、第23卷第11期半导体学报Vol.23，No.112002年11月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSNov.，2002!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!氮化H2-O2合成薄栅介质的击穿特性刘运龙刘新宇韩郑生海潮和钱鹤（中国科学院微电子中心，北京100029）摘要：研究了14~16nm的H2-O2合成薄栅介质击穿特性.实验发现，N2O气氛氮化H2-O2合成法制备的薄栅介质能够有效地提高栅介质的零时间击穿特性.H2-O2合成法制备的样品，其击穿场强分布特性随测试MOS电容面积的增

2、加而变差，而氮化H2-O2合成薄栅介质的击穿特性随测试MOS电容面积的增加基本保持不变.对于时变击穿，氮化同样能够明显提高栅介质的击穿电荷及其分布.关键词：氮化H2-O2合成；零时间击穿；时变击穿EEACC：2550E；2560R；2570D中图分类号：TN406文献标识码：A文章编号：0253-417（72002）11-1207-04起来［6~8］合成薄栅介质.文献［9］报导了氮化H2-O21引言的抗辐照特性.本文主要研究氮化H2-O2合成薄栅介质的零时间击穿特性和时变击穿（TDDB）特性.对于深亚微米MOS器件来说，栅氧化层的电学可靠性已经成为一个非常重要的问题.在N2O中生2实验样

3、品的制备长的栅介质具有良好的电学特性，如具有较大的击穿电荷，可以大幅度地减少界面态等［1］.直接在N2O在（p100）、电阻率为15~25!·cm衬底硅片上中生长氧化物，会在氧化物体内引入较多的N，在氧制作样品，采用n+多晶硅栅MOS电容结构.在场氧化层相对薄时饱和.采用两步氮氧化法（O2/N2O）能生长完成后，生长厚度约为18nm的牺牲氧化层.用够得到任意厚度的氧化层，而且生长的栅介质电学HF溶液漂去牺牲氧化层后，对硅片进行清洗，然后性能好，击穿电荷（!BD）有所提高.同时辐照引入的进行栅氧化工艺.接着进行淀积多晶、n+注入、光刻界面态陷阱（"it）显著减少，提高的程度依赖于N2O多晶

4、、激活退火等工艺，完成样品的制备.氧化过程和温度.N2O氮氧化层所表现出的优良特本文对比研究了二种不同的栅氧化工艺：（1）性主要可以归结为在Si/SiO2界面处N的积累，使H2-O2合成；（2）H2-O2合成/N2O氮化.H2-O2合成法Si—H弱键和Si—O键被Si—N代替，形成更为牢固制备样品的具体工艺条件见表1.在H2-O2合成氧化的结构.之前和之后分别增加一定时间的等温干氧氧化，并为了提高氮化效率、降低热预算和提高栅介质且栅介质生长结束后在N2气氛中退火，以增加栅介可靠性，各种改进的氮化栅技术不断被提出［2~4］.最质的击穿电压和可靠性.第二种栅介质生长方法是近Liu等报道了5n

5、m氮氧化栅的栅完整性和抗辐射H2-O2/N2O方法，即在H2-O2合成低温生长栅介质后能力［5］.5nm氮氧化栅先在湿氧气氛中生长，然后在在N2O气氛中退火，目的是为了在栅介质与单晶硅NO中退火.研究发现这种栅介质在工作电压下的直界面处产生N的积累，降低界面态密度，提高栅介流热电子寿命超过10年，抗电离辐照高达1MTHC质的可靠性和抗电离辐射能力.（SiO2）.国内关于含N薄栅介质的研究也已经发展刘运龙男，1975年出生，博士研究生，主要从事PDSOI的器件、工艺研究和抗辐照特性研究.刘新宇男，1973年出生，博士研究生，副研究员，主要从事PD/FDSOI的工艺、电路和抗辐照特性研究.钱

6、鹤男，1963年出生，博士，研究员，博士生导师，主要从事深亚微米CMOS/VLSI工艺、CMOS/SOI器件和电路研究.2002-02-25收到，2002-04-15定稿"c2002中国电子学会1208表1不同的薄栅氧化层制备条件Tabie1Processconditionsfordifferentthingateoxide工艺条件氧化层厚度/nmH2-02合成850C，025'+H2-02合成氧化+025'+N230'16.2H2-02合成/N20氮化850C，H2-02合成+N2010'+N230'14!实验结果与讨论!."零时间击穿特性采用半导体参数测试仪HP4145A测试了制备的

7、样品的击穿特性.将电容样品的衬底接地，栅极接扫描电压，使M0S电容处于累积状态.加电压的同时监测流过M0S电容的电流.一旦电流发生突变或电流超过1时认为栅介质发生了击穿，即栅介质!A发生零时间击穿.采用公式!bd=（"bd-1）/#ox计算图1二种不同薄栅氧化层的M0S电容A的击穿特性$=78002栅介质的击穿场强，"bd为击穿时栅介质两端所加电!mFig.1Breakdowncharacteristicsfordifferentg