一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜及其制備方法，所涉及到的器件包括但不限于MOS器件與雙極型晶體管。通過在柵氧或者埋氧中摻入鈦雜質，可以削弱氧空位與氫雜質的結合，并伴隨著抑制了質子的釋放，最終同時抑制SiO

High quality silicon oxide film based on titanium doping and preparation method thereof

The invention provides a titanium doped high quality silicon oxide film and a preparation method thereof, and the devices involved include, but are not limited to, MOS devices and bipolar transistors. By incorporation of titanium impurities in gate oxygen or embedded oxygen, it can weaken the binding of oxygen vacancies to hydrogen impurities and inhibit the release of protons and ultimately inhibit SiO

【技術實現步驟摘要】
一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜及其制備方法
本專利技術屬于元器件制備領域，具體涉及一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜及其制備方法。
技術介紹
氧化硅（SiO2）常被用作柵氧或者埋氧而廣泛地應用于集成電路中。但是，在實際使用過程中，往往會發現SiO2中存在著電荷，并在SiO2/Si界面上形成界面態。具體地，在電場或者激光作用下，會在氧化硅中注入載流子。在正向偏壓下，注入的電子從氧化層漂移到柵極；留下的空穴將在電場作用下，以較慢的遷移速度在SiO2中遷移。當空穴到達Si/SiO2界面附近靠近SiO2一側時，被氧空位陷阱所俘獲而成為正空間電荷。另外，一部分俘獲了空穴的氧空位進一步與氧化硅中的氫原子結合，而釋放出質子；質子在空間電場的作用下得到加速，轟擊SiO2/Si界面上的Si-H鍵，進而產生懸掛鍵，即產生SiO2/Si界面態。SiO2/Si界面態與SiO2中的電荷都會對器件的電學性能產生不利的影響。例如，界面態與SiO2中的電荷就會引起金屬-氧化物-半導體（MIS）器件閾值電壓的偏移。與此同時，界面態會作為載流子的復合中心，導致漏電流的增加，從而增加了MIS器件低頻下的噪聲信號。在雙極型晶體管中，埋氧中與埋氧/半導體界面上同樣分別存在著電荷與界面態，導致基極漏電流的增加，從而導致增益系數的顯著降低，最終使得集成電路的失效。隨著器件特征線寬的進一步減小，界面態與SiO2中電荷等缺陷對器件性能的影響將變得尤為顯著。因此，有必要同時抑制SiO2/Si界面態與SiO2中電荷的形成，以此提高硅基器件的電學性能及其惡劣環境下使用的穩定性。為此，國內外的科學與產業界提出了通過Al、Cr、O、Si等離子注入工藝，在氧化硅中實現雜質摻雜。研究發現，Al、Cr、O、Si等雜質離子都可以不同程度的降低氧化硅中的凈電荷濃度（Not），并將其歸因于雜質離子注入在氧化硅中引入的電子俘獲陷阱所導致的負電荷，但是對界面態的形成則幾乎沒有影響。顯然，為了顯著地提升硅基器件的電學性能，需要同時抑制SiO2/Si界面態與SiO2中電荷的形成。基于上述原因，Al、Cr、O、Si等離子注入并不能有效地滿足硅基器件電學性能及其使用穩定性的需求。由于鈦（Ti）原子與氫原子能夠強有力的結合，Ti原子及其相關化合物被廣泛地用作貯氫材料而用于燃料電池中。基于此，本專利技術創造性的提出在氧化硅中摻入Ti雜質。通過Ti雜質俘獲H原子或分子，有效地抑制氧空位與氫雜質之間的結合，進而抑制其反應產物-質子的釋放，從而削弱質子與Si/SiO2界面處Si-H鍵之間的反應，由此降低SiO2/Si界面態的形成。另一方面，Ti離子可以作為電子俘獲陷阱，促進氧化硅中負電荷的形成，進而降低氧化硅中的電荷濃度。圍繞以上所述的研究思路，本專利技術提出一種基于鈦摻雜的新型高質量氧化硅制備技術。
技術實現思路
本專利技術為解決上述技術問題，提供一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜及其制備方法，基于相對于氧空位而言，鈦雜質更容易與氫原子結合，由此抑制了氧空位-氫復合體的形成，該方法可以同時抑制SiO2/Si界面態與SiO2中電荷形成，克服以往Al、Cr、O、Si等摻雜只能降低SiO2中電荷形成的不足，進而顯著提高元器件的電學性能及其惡劣使用環境下的穩定性。本專利技術的技術方案如下：一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅制備方法，其特征在于：（1）選取單晶硅片作為襯底；（2）以純氧作保護氣氛，利用干氧或濕氧氧化工藝在硅片表面生長SiO2薄膜；（3）在步驟（2）生長的SiO2薄膜表面生長鈦薄膜，鈦薄膜的厚度為10-50nm；（4）利用氬氣作為保護氣氛，將生長有鈦薄膜后的硅片在850-1150°C下接受后續退火。作為優選，步驟（1）中所述的硅片導電類型是n型或者p型，電阻率為0.1-50Ω.cm。作為優選，步驟（2）中所述的熱氧化溫度為900-1250°C，SiO2薄膜的厚度為30-300nm。步驟（4）中所述的后續退火工藝，目的在于兩個方面：一方面，通過在氬氣中高溫退火，可以有效的降低氧空位的濃度，進而提高元器件的電學性能及其惡劣使用環境下的穩定性；另一方面，高溫退火使得鈦雜質擴散進入到氧化硅中，實現氧化硅中的鈦摻雜。相對于氧空位，鈦雜質更容易與氫原子結合，由此抑制了氧空位-氫復合體的形成，同時伴隨著抑制了質子的釋放。質子的釋放被削弱，相應地，也削弱了質子對SiO2/Si界面上的Si-H鍵的轟擊，由此抑制了SiO2/Si界面態的形成。通過上述方法，可以制備得到的氧化硅薄膜，該氧化硅薄膜中鈦雜質濃度在1015/cm3以上。本專利技術的有益效果為：本專利技術利用這種鈦摻雜的氧化硅作為柵氧或者埋氧層，可以顯著的降低SiO2/Si界面態與SiO2中電荷的形成，進而提高MOS、BJT等元器件的電學性能及其惡劣使用環境下的穩定性；這種柵氧制備方法與集成電路制備工藝相兼容，可以在大規模集成電路中得到推廣使用。附圖說明圖1是本專利技術的制備流程示意圖。具體實施方式本專利技術在原有的SiO2薄膜生長工藝基礎上進行改進，目的在于提高元器件的電學性能及其惡劣使用環境下的穩定性，原理如下：通過在SiO2薄膜生長上生長鈦薄膜，再經過后續高溫退火后使得鈦雜質擴散進入到氧化硅中，實現氧化硅中的鈦摻雜。相對于氧空位，鈦雜質更容易與氫原子結合，由此抑制了氧空位-氫復合體的形成，同時伴隨著抑制了質子的釋放。質子的釋放被削弱，相應地，也削弱了質子對SiO2/Si界面上的Si-H鍵的轟擊，進而抑制了SiO2/Si界面態的形成。現舉例說明具體的實施步驟，對本專利技術不構成任何限制。實施例1（1）選取晶向為<100>、電阻率為10Ω.cm的p型硅；（2）以純氧作保護氣氛，利用濕氧氧化工藝在步驟（1）所述的硅片表面上生長SiO2薄膜，所采用的熱氧化溫度為900°C，得到的氧化硅厚度為30nm；（3）在步驟（2）所述的氧化硅表面生長10nm厚的鈦薄膜；（4）利用氬氣作為保護氣氛，將步驟（3）所述的硅片在850°C下接受后續退火。步驟（4）中所述的后續退火工藝，目的在于兩個方面：一方面，通過氬氣下的高溫退火，降低氧空位的濃度，提高硅基器件的電學性能及其惡劣環境下使用的穩定性；另一方面，高溫退火使得鈦雜質擴散進入到氧化硅中，實現氧化硅中的鈦摻雜，進而削弱氧空位與氫的結合，最終同時抑制SiO2/Si界面態與SiO2中電荷的形成，提高器件的電學性能及其惡劣使用環境下的穩定性。實施例2（1）選取晶向為<100>、電阻率為50Ω.cm的n型硅；（2）以純氧作保護氣氛，利用濕氧氧化工藝在步驟（1）所述的硅片表面上生長SiO2薄膜，所采用的熱氧化溫度為1250°C，得到的氧化硅厚度為300nm；（3）在步驟（2）所述的氧化硅表面生長50nm厚的鈦薄膜；（4）利用氬氣作為保護氣氛，將步驟（3）所述的硅片在1150°C下接受后續退火。實施例3（1）選取晶向為<100>、電阻率為0.1Ω.cm的p型硅；（2）以純氧作保護氣氛，利用濕氧氧化工藝在步驟（1）所述的硅片表面上生長SiO2薄膜，所采用的熱氧化溫度為1250°C，得到的氧化硅厚度為300nm；（3）在步驟（2）所述的氧化硅表面生長50nm厚的鈦薄膜；（4）利用氬氣作為保護氣氛，將步驟（3）所述的硅片在1150°C本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜，其特征在于：所述氧化硅薄膜中鈦雜質濃度在10

【技術特征摘要】
1.一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜，其特征在于：所述氧化硅薄膜中鈦雜質濃度在1015/cm3以上。2.一種基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟：（1）選取單晶硅片作為襯底；（2）以純氧作保護氣氛，利用干氧或濕氧氧化工藝在硅片表面生長SiO2薄膜；（3）在步驟（2）生長的SiO2薄膜表面生長鈦薄膜，鈦薄膜的厚度為10-50nm；（4）利用氬氣作為保護氣氛，將生長有鈦薄膜后的硅片在850-1150°C下接受后續退火。3.根據權利要求2所述的基于鈦摻雜的高質量氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟（1）中所述硅片導電類型是n...

【專利技術屬性】
技術研發人員：董鵬，宋宇，代剛，馮曉龍，李沫，張健，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院電子工程研究所，
類型：發明
國別省市：四川,51