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VDMOS栅氧氧化工艺的研究

VDMOS栅氧氧化工艺的研究

摘要

为VDMOS栅氧工艺改进提出试验依据，通过了解氧化层的击穿机理和制

备方法，以及收集mos电容耐压的测试结果，以提供合适的栅氧工艺。

关键词：栅氧、击穿、MOS电容、再分布、

Abstract：

ForofferimprovingG_OX(gateoxide)technicofVDMOS’sbasis,by

discussingbreakdownprincipleandfacureprocessofoxide-layer,

andcollectingtherearultsoftestingMOS’scapacitancebreakdown

voltage,toprovidefittingG_OX(gateoxide)technic.

KeyWords：G_OX(gateoxide),breakdown,MOS’scapacitance,

second’sdistributing

前言

随着微电子产业，超大规模集成电路的飞速发展，MOS器件的尺寸在不

断的减小。在器件尺寸等比缩小的同时，工作电压却没有相应的等比缩

小，这就使得薄栅氧化层中的电场强度增大，器件的击穿电压降低，直

接影响了器件的可靠性。因此，薄栅氧化层的击穿问题已经成为阻碍集

成电路进一步发展的主要因素之一。如何改善栅氧化层的质量，提高器

件电路的可靠性，已经成为当今微电子领域非常热门的话题之一。

栅氧氧化层击穿机理：

1．SiO2击穿现象

Si02在施加高场时会发生致命击穿，根据击穿场强的大小可分成三种情

形

(1)击穿场强在8-12MV／cm称为本征击穿。

发生本征击穿时SiO2无缺陷。

(2)击穿场强1MV／cm，SiO2存在巨大缺陷，例如针孔。

(3)击穿场强在2~6MV／cm，正常工作条件下会发生击穿。

2．SiO2本征击穿的物理模型

空穴产生和陷阱模型(holegenerationandtrap-pingmodel)

该模型认为：由于FN(Fowler-Nordheim)隧道效应，有许多高能电子注

入到SiO2导带，这些电子在SiO2中的电场作用下到达阳极并获得一定动

能，一些高能电子在SiO2中碰撞产生电子空穴对，同时SiO2本身存在一

些缺陷，如Si的悬挂键、杂质、微孔，这些区域成为吸附中心，空穴在

这儿被俘获。随着正电荷在缺陷处的积累，隧道电流不断增加，当某点

的氧化陷阱电荷密度Qot+达到临界值时，隧道电流突然增加发生击穿。

3．电子晶格损伤模型(electronlatticedamagemodel)晶格损伤模

型认为：FN电子隧人SiO2导带，被SiO2中电场加速，在到达阳极时具有

最大能量，能量在阳极附近释放形成原子型缺陷，如Si-O键的打破。这

些缺陷带正电，可以吸收新的注入电子。遵循这种机理，缺陷在SiO2中

长大，从阳极往阴极形成通路。开始是大量的小缺陷，其中最大的缺陷

生长最快。它们也横向长出枝干，很象一棵树。在通路完全形成后，电

容通过这条通路放电，将SiO2击穿。

热生长氧化膜的制备

1．干氧氧化：在高温下当氧气与硅片接触时，氧分子与表面的硅原子

反应生成二氧化硅起始层，其反应式为：SI+O2SIO2

这种氧化方式制备的氧化层特点是：结构致密，但是氧化速度慢：表面

是非极性的硅烷（SI—O—SI）结构，所以与光刻胶的粘附良好，不易产

生俘胶现象。

2．氢氧合成氧化：在常压下，把高纯的氢和氧通入石英管内，使之

在一定的温度下燃烧生成水，水在高温下气化，然后水汽与硅反应生成

SIO2

其反应式为：H2+O2H2O

2H2O+SISIO2+H2

这种氧化方式制备的氧化层特点是：结构疏松，但是氧化速度快，质量

不如干氧氧化的好，特别是氧化层表面是极性的硅烷醇，它她极易吸附

水，所以与光刻胶的粘附性差。

3．掺氯氧化：是继上述两种氧化方法之后出现的一种热氧化方式，即

在干氧或湿氧中添加少量的氯化氢、三氯乙烯或含氯的气态物，比较常

用的是氯化氢。在生成二氧化硅的同时，氯结合在氧化层中，并集中分

布在SIO2—SI界面的SIO2一侧。

其反应式为：4HCL+O22CL2+2H2O