二、 氮氧硅栅介质 目前，CMOS器件中已开始使用超薄氨氧硅 (SiON,更准确地应称为掺氮的SiO2,或氮化二 氧化硅)替代传统的纯SiO,栅介质。 氮氧硅中含有氮可以抑制硼的扩散，SiO,一Si界面 附近含有少量的氮可以降低由热电子引起的界面退 化，提高器件的可靠性 。 氮氧硅Si0N,的介电常数在(SQ2)=3.9和c(Si,N4)=7.8 之间随氮含量的多少成正比地变化。于是在相同的 等效栅氧化层厚度下，氮氧硅的物理厚度大于S02 的，相应地使泄漏电流有所降低。 但是Si0,-Si界面附近若存在大量的氮，则由于界面 缺陷态的增加和迁移率的降低而使器件的性能退化
• 目前，CMOS器件中已开始使用超薄氮氧硅 （SiOxNy，更准确地应称为掺氮的SiO2，或氮化二 氧化硅）替代传统的纯SiO2栅介质。 • 氮氧硅中含有氮可以抑制硼的扩散， SiO2-Si界面 附近含有少量的氮可以降低由热电子引起的界面退 化，提高器件的可靠性。 • 氮氧硅SiO2Ny的介电常数在 之间随氮含量的多少成正比地变化。于是在相同的 等效栅氧化层厚度下，氮氧硅的物理厚度大于SiO2 的，相应地使泄漏电流有所降低。 • 但是SiO2-Si界面附近若存在大量的氮，则由于界面 缺陷态的增加和迁移率的降低而使器件的性能退化。 2 3 4 (SiQ ) 3.9和 (Si N ) 7.8
Si-N-O系统的热动力学 图中包含四个相：Si、 2200 Si(g) SiO,(方石英和磷石 Si(D 英)、SiN4Si,N2O。 2000 SiN, SiO,为硅氧四面体结构， 方石英 SiN4为硅氮四面体结构， 1800 SiN.O Si,N2O为略有畸变的 1600 SiN,O型四面体结构。通 磷石英 过用氮替换氧，可以实 14005 现由SiO,到Si,N2O最终 -25 -20 -15 -10 -5 log(Po,/bar) 到Si,N的相变。 体Si-NO系统的相图
• 图中包含四个相：Si、 SiO2（方石英和磷石 英）、Si3N4、Si2N2O。 • SiO2为硅氧四面体结构， Si3N4为硅氮四面体结构， Si2N2O为略有畸变的 SiN3O型四面体结构。通 过用氮替换氧，可以实 现由SiO2到Si2N2O最终 到Si3N4的相变
然而平衡条件下，在体材料中Si3N4相和SiO,相是不 可能共存的，这两个相总是被Si,NO相分隔开。 Si,N2O是Si-N-O系统中惟一稳定的热动力学结构。 在T=1400K时Si,N20-Si0,相的边界，位于10-18atm 处。而目前的各种快速热退火设备中的氧分压大于 该值。于是在体SiO,中的氮不是热力学稳定的。 但实验上，在S0,薄膜中是可以引入氮的，其主要 原因在于氨原子能够动态地陷在表面附近的反应区 内。此时的氨处于非平衡状态，但由非平衡态向平 衡态转变的速率很慢，于是一部分氮被陷
• 然而平衡条件下，在体材料中Si3N4相和SiO2相是不 可能共存的，这两个相总是被Si2NO相分隔开。 Si2N2O是Si-N-O系统中惟一稳定的热动力学结构。 • 在T=1400K时Si2N2O-SiO2相的边界，位于10 -18atm 处。而目前的各种快速热退火设备中的氧分压大于 该值。于是在体SiO2中的氮不是热力学稳定的。 • 但实验上，在SiO2薄膜中是可以引入氮的，其主要 原因在于氮原子能够动态地陷在表面附近的反应区 内。此时的氮处于非平衡状态，但由非平衡态向平 衡态转变的速率很慢，于是一部分氮被陷
氮氧硅栅介质层的制备 热氮化/退火法主要是指在N,O、NO等气氛中热 氧化生长SiO,或将热氧化生长的SiO,通过在 N2O、NO、NH和N,等气氛中退火引入氮的方法。 化学汽相淀积(CVD)、JVD(Jet Vapor Deposition)、原子层淀积(ALD:Atomic Layer Deposition)及等离子体氮化与低能N离子注入等 方法则统称为物理或化学淀积法
• 热氮化/退火法主要是指在N2O、NO等气氛中热 氧化生长SiO2，或将热氧化生长的SiO2通过在 N2O、NO、NH3和N2等气氛中退火引入氮的方法。 • 化学汽相淀积（CVD）、JVD（Jet Vapor Deposition）、原子层淀积（ALD：Atomic Layer Deposition）及等离子体氮化与低能N离子注入等 方法则统称为物理或化学淀积法
二氧化硅中掺入氮的方法 热氮化 化学或物理淀积法 N,0中 NO中 NH中 CVD ALD 低能离 氮化 氮化 氮化 子注入 N2 等离子淀 氮化 JVD 积/氮化 在SiO2中摻人氮的主要方法示意图