热氧化膜介质电击穿特性与生长工艺的关系研究

【摘要】本文简要地叙述了在集成电路制作中几种热氧化工艺模式的工艺原理及特点比较。并通过对几种不同模式的热氧化膜进行时间依赖性介质击穿特性（TDDB）及氧化膜击穿电场强度（Ebd）的分析和比较，发现在一定条件下，采用湿法氧化及稀释湿法氧化生长的氧化膜在击穿前的单位面积累积电荷量（QBD）及氧化膜击穿电场强度均优于DCE氧化和干法氧化，本文对试验结果进行了详细的讨论和分析。通过大量实践和工艺的不断改进和完善，目前稀释湿法氧化工艺已成为大规模集成电路中栅氧化膜制作中的最佳选择。

【关键词】干法氧化；湿法氧化；氯系氧化；稀释湿法氧化；QBD

前言

二氧化硅是一种很好的绝缘介质。它在半导体器件和集成电路制造中起着十分重要的作用，因此氧化工艺也是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一。二氧化硅膜可以用多种方法制备，如热氧化法，热分解氧化法，硅烷氧化法，阳极氧化法，反应溅射法等。其中以硅衬底上经过热氧化法生长的热氧化膜的膜质最好，在热氧化膜的成长工艺中，通常有干法氧化，湿法氧化和氯系氧化几种方式，对这些工艺下氧化膜的研究，已有较多的报导[1]，这些报导中，都能看到干法氧化下氧化膜的质量最好，我们对这几类氧化工艺进行了大量研究，发现通过氧化工艺的优化，湿法氧化膜的质量不仅能达到器件的要求，而且击穿特性等优于干法氧化的工艺。本文将对常用的热氧化膜的生长方式进行分析和介绍，并比较湿法和干法氧化条件下下氧化膜的击穿特性。

4.各种氧化方式的特点

干法氧化：氧化速率慢，膜厚容易控制，氧化膜结构致密；表面是非极性的硅氧烷（Si-O-Si）结构，与光刻胶粘附良好，不易产生浮胶现象。

湿法氧化：氧化速率快、薄膜氧化控制困难。氧化膜表面是极性的硅烷醇，它极易吸附水，极性的水不易粘附非极性的光致抗蚀剂，所以氧化膜表面与光刻胶的粘附性差。但是经过干氧（或者干氮）热处理，硅烷醇可分解成硅氧烷结构，并排除水分。

改进后稀释氧化：H2-O2点火生成H2O后用氮气稀释。稀释氧化可以有效降低氧化速率，薄膜氧化层生长也将比较容易控制。

氯系氧化：是在干氧中添加少量的氯化氢，二氯乙烯或三氯乙烯或者氯气等含氯的气态物。在氧气氧化的同时，氯结合到氧化膜中，并集中分布在SiO2-Si界面附近。其主要作用：1.可吸收、提取硅中有害杂质：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，净化氧化环境。2.不仅可以减少氧化膜中的钠离子的沾污，并且集中在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缚住不动，从而使其丧失电活性，减少不稳定性。但是氯系氧化的气体具有腐蚀性，危险性较大。

二、实验方法及结果

1.实验方法

本实验采用的硅片是8英寸P型（100）单晶抛光片，其电阻率为12-16ohm.cm。硅片采用SC1（NH4OH+H2O2+H2O）+SC2（HCl+H2O2+H2O）清洗，四种氧化膜膜厚测定使用鲁道夫的FE-VII型椭偏仪量测，为保证实验QBD测试的可比性，氧化膜厚度均严格控制在90+/-1。

MOS电容采用常规的多晶硅MOS管栅极工艺，在TDDB试验中，对一种器件，在一定的应力范围内，器件发生失效时，注入的电荷量QBD是个常数。在恒定电流试验时QBD=J×tbd，单位是C/cm2。QBD成为表征氧化层质量的最重要参数。QBD测试电容面积为1平方毫米，采用恒定电流法进行测定，电流密度为0.1安培/平方厘米。测试MOS管电容个数为168个。并取其QBD中值进行比较。

在QBD测试的同时，还进行了这几种氧化膜击穿电场强度的测试，测试的电容面积为32平方毫米，击穿电流设定为1uA。定义击穿电场强度≤4MV/cm为低场击穿，电场强度≥8MV/cm为高场击穿。MOS管电容的测试个数同样为168个，并对其测试结果进行统计分析。

2.分组条件

3.实验结果

（1）比较湿法氧化和稀释湿法氧化，两者的QBD曲线没有明显差异。其中湿法氧化的QBD中值为15.25C/cm2，稀释湿法氧化的QBD中值为15.34C/cm2。（如图2所示）

（2）比较干法氧化和稀释湿法氧化，稀释湿法氧化的QBD曲线要明显优于干法氧化。其中稀释湿法氧化的QBD中值为15.34C/cm2，干法氧化的QBD中值为8.92C/cm2。（如图3所示）

（3）比较DCE氧化和稀释湿法氧化，稀释湿法氧化的QBD曲线要略优于DCE氧化。其中稀释湿法氧化的QBD中值为15.34C/cm2，DCE氧化的QBD中值为11.47C/cm2。（如图4所示）

（4）综合上面四种氧化模式的QBD曲线及其中值比较（见表1），可以明显发现：湿法氧化与稀释湿法氧化>DCE氧化>干法氧化。

三、讨论与结论

由氧化速率工艺中式（5）～（7）我们可以知道，氧化速度与氧化剂在氧化膜中的溶解度 有明显的相关性。由于水汽在氧化膜中的溶解度远大于氧气，湿法氧化的氧化速度要远大于干法氧化，但由于氧化速率在较快的情况下，氧化膜的结构疏松会引入更多的缺陷[1]，所以通常认为湿法氧化的膜质要比干法氧化差。

但是本次实验的结果发现不仅湿法氧化的QBD特性远超过干法氧化，且从氧化膜耐电场击穿性能分析看，湿法氧化也远优于干法氧化。这都可归因于氧化膜中存在的OH键和与之相关的电子陷阱。首先，水汽氧化生长的氧化膜中没有干氧氧化时存在的结构微孔[2]，这种结构微孔是造成电场击穿的主要原因[3-6]，由于湿法氧化中的OH键对结构微孔的填充作用[7]，减少了结构微孔的出现，从而改善了电场击穿特性。其次，当介质膜中存在OH键时，会出现与之有关的电子陷阱[8]，电子陷阱在俘获电子后建立负电荷中心，抑制了正电荷电场的增强，从而进一步提高了氧化膜承受电场强度的能力。最后，由于本次实验的湿法氧化的温度较低，所以其氧化速率不是太快，所以并没有出现明显的结构疏松所带来的额外缺陷。现在我们选择采用稀释的湿法氧化法来生长栅氧化膜，通常氧化温度不超过950℃，以适当降低氧化速率。同时由于采用了湿法氧化，所提供的OH键还可以改善干法氧化所带来的结构微孔，并抑制电场强度。