PECVD形成纳米级薄膜界面陷阱特性的雪崩热电子注入研究

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:478

陈蒲生1，陈闽捷2 ，张昊3

1.华南理工大学应用物理系, 广东广州 510640；2.华南理工大学机电工程系，广东广州 510640；3.中电科集团电子第五研究所，广东广州 510610）

摘要：采用雪崩热电子注入技术研究了纳米级sioxny薄膜界面陷阱特性。证实了pecvd sioxny薄膜中界面陷阱来源于悬挂键的物理模型。观察到该纳米膜内存在着受主型电子陷阱，随着注入的增长，界面上产生的这种陷阱将起主导作用。发现到界面陷阱密度随雪崩热电子注入剂量增加而增大，禁带上半部增大得较下半部显著。指出了雪崩注入过程中在sio xny界面上产生两种性质不同的电子陷阱，并给出它们在禁带中的位置与密度大小关系。揭示出pecvd法形成的sio xny纳米膜与快速热氮化制备的这种薄膜中、氮氧含量不同、界面陷阱特性变化关系不一样，并从形成薄膜氮化机制上予以合理的物理解析。给出了 pecvd形成纳米级薄膜的优化工艺条件。

关键词：界面陷阱；雪崩；热电子注入；等离子体增强化学汽相淀积；薄膜

中图分类号：tn304.55 文献标识号：a 文章编号：1003-353x(2004)01-0051-05

1 引言

pecvd法是利用辉光放电的物理作用来激活化学汽相淀积反应，从而使得许多高温下才能进行的反应在较低温度下实现。这种兼备物理汽相淀积和化学汽相淀积特性的新型制膜方法制备纳米级sioxny薄膜时，可使衬底处于较低工作温度下（<400°c）完成。该法适应了当前vlsi技术向低温工艺方向发展的趋势，引起了国内外学术界的高度重视[1,2]。

近年来，pecvd低温法形成薄栅介质膜在薄膜晶体管、集成电路、亚微米cmos工艺和sige/si异质结构中深受关注，获取高质量薄栅介质膜及其电学特性研究已有报道[3]，文献[4]对该法形成的sioxny薄膜与热氧化薄介质膜的特性进行了比较。现在研究的一个重要热点在于pecvd法低温形成这种薄膜的界面陷阱上 [5]。本研究工作正是采用雪崩热电子注入法研究这种薄膜界面陷阱特性。

2 实验

pecvd低温法形成sioxny纳米级薄膜实验中使用的是sih4，n2o，nh3组成的混合气体系统，总的反应过程表达式是：

随着混合气体系统中n2o与（sih4+nh3）比例的变化，sioxny膜中氮和氧的含量发生变化，从而调制着薄膜界面陷阱的物理电学特性。

2.1 样品制备

p型（100）晶向、无位错、长寿命、电阻率为2-8ω·cm的硅抛光晶片，接受标准工艺清洗，加上浓hno3煮、hf溶液（1：40）腐蚀，以期获得良好的界面电学特性 [5,6]。清洗后硅晶片置于英国dp-80型平板式pecvd反应系统（13.56mhz，5w），低温淀积形成纳米级sioxny薄膜。反应系统导入比例可调的sih4 ，nh3，n2o混合气体，适当选择低的衬底工作温度与反应室气压，淀积时间选为几分钟、以保证形成膜厚在30nm左右。制成的膜经干氧退火致密、电子束蒸铝、铝反刻，最后形成栅面积为0.04~0.64mm2的mis结构样品在n2气保护下退火合金化（450℃，30 min）。

2.2 雪崩注入与测试分析

根据nicollian等人[7]提出的雪崩热电子注入方案，本实验采用自行装配的（图1）雪崩热电子注入装置 [8]（由nicollian等人雪崩注入电路和“垫高电压”两部分组成，能获得单纯的电子注入），对由pecvd法形成sioxny薄膜组成的mis结构样品进行雪崩热电子注入。

通过集成测试系统，对不同注入剂量的样品，测试注入前后的高频和低频c-v特性、研究膜的界面陷阱的物理电学特性；采用俄歇电子能谱（aes）和傅里叶红外光谱（ftir）分析膜的微观组分及其深度分布；借助椭圆光谱偏振仪测量膜的折射率与厚度；使用计算机处理测试数据及绘制实验结果曲线。

3 结果与讨论

图2和图3分别给出由sih4和nh3（比例为10sccm：100sccm）为混合气体[n2o/(n2o+nh3)=0]作为反应物、采用标准pecvd工艺制成的纳米级sioxny膜的aes图和ftir谱图。