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本文報道了（110）、（100）晶體定向硅上制備的p通道MOSFETs的低頻噪聲與硅表面的微粗糙度有關(guān)，由于傳統(tǒng)的RCA清洗工藝使表面更加粗糙，特別是在（110）取向的情況下，開發(fā)了不使用堿性溶液的5步室溫清洗工藝，這種新的清洗工藝與微波激發(fā)的高密度等離子體氧化工藝相結(jié)合，形成門氧化物，而不是標(biāo)準(zhǔn)的900°C熱氧化工藝，導(dǎo)致微粗糙度降低。此外，這種減少不僅可以觀察到（110）的取向，而且也可以用同樣的方法觀察到（100），盡管其程度要小得多。
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圖2
首先使用一個矢量信號分析儀進(jìn)行對排水電流噪聲測量，連接到一個低噪聲前置放大器，為了找到目標(biāo)偏置點參數(shù)，采用模塊化直流源偏置目標(biāo)偏置，然后將該源被超低噪聲直流源取代，進(jìn)行最終的噪聲測量,如圖2的Id-Vd曲線所示，(110) pMOSFET的一個有趣特性是電流運行能力是(110)方向的2.5倍,這個特性保證了更快的工作頻率，但是(110) CMOS數(shù)字和模擬電路可能沒有競爭力,而不會降低1/f噪聲,如圖3所示，與（100）pMOSFETs相比，通過常規(guī)RCA清洗制備的（110）pMOSFETs的噪聲水平仍比（100）pMOSFETs高出近20年，且必須嚴(yán)重降低這一水平。
作為RCA清洗的替代品，開發(fā)了5步室溫清洗工藝,這項新技術(shù)有一個非常簡單的程序，在清洗結(jié)束時只沖洗一次,可以在小于5min的沒有任何溫度升高的情況下進(jìn)行,與（110）隧道顯微鏡掃描(STM)分析結(jié)果顯示的RCA清洗相比，這種新型清洗方法對（110）取向表面質(zhì)量的影響很明顯，采用5步清洗時，平均微粗糙度(Ra)和峰谷高度（P-V）改善約為30%。如前所述，除了RCA清洗中涉及的許多步驟和高溫外，另一個問題是它需要使用堿溶液，這導(dǎo)致表面各向異性去除硅原子，從而導(dǎo)致更大的表面粗糙度，這是因為鍵的裂解導(dǎo)致了表面以（111）為取向的微結(jié)構(gòu)不均勻性的形成，并隨著時間的推移而形成。相反，5步清洗是一個無堿的過程，它產(chǎn)生了一個更平滑的均勻表面。
在兩種不同的氧化過程中，評價了5步清洗對（110）pMOSFETs中1/f噪聲的影響，在噪聲測量的結(jié)果中，我們觀察到無堿清洗過程的1/f噪聲水平都有了顯著的改善，與RCA清洗方法相比，該噪聲水平下降了近20年，這是由于與RCA清潔方法相比，形成了一個微粗糙度降低的表面。研究還發(fā)現(xiàn)，等離子體氧化產(chǎn)生的噪聲水平低于熱氧化氧化，在（110）pMOSFETs中成功演示了1/f噪聲抑制后，為了進(jìn)行比較，對（100）硅取向晶片進(jìn)行了相同的評價過程。通過對比結(jié)果，可以明顯看出，使用無堿的5步清洗再次提高了表面質(zhì)量，然而，從RCA清洗到5步清洗過程中，（100）取向的表面質(zhì)量僅提高了10%，而表1中（110）表面提高了30%，這一結(jié)果表明，（100）硅表面比（110）硅表面對堿性溶液更有抵抗力。綜上所述，表I和表II的比較表明，在（110）硅表面使用RCA清洗工藝在微粗糙度方面比在（100）取向上進(jìn)行處理時質(zhì)量更差。這種界面的降解可以解釋為（110）表面的堿溶液蝕刻速率比（100）上的要快。
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表1
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表2
綜上所述，當(dāng)通過傳統(tǒng)的RCA清洗方法制造時，（110）pMOSFETs的1/f噪聲水平遠(yuǎn)高于（100）pMOSFETs，但這似乎僅僅是處理方法演化的結(jié)果，而不是表面的內(nèi)在特性，因為只要用無堿5步室溫法代替RCA清洗方法，就可以大大減少兩個方向之間的1/f噪聲水平的劃分。
最后通過研究了不同pmos在Si/sio2界面的界面微粗糙度和1/f噪聲，我們成功地證明了無堿5步室溫清洗和等離子體氧化過程的結(jié)合，由于氧化層的形成更平滑，1/f的噪聲水平，（100）pMOSFET比（110）pMOSFET的優(yōu)勢，在1/f噪聲水平，減少，考慮到（110）pMOSFET的改進(jìn)性能，（110）CMOS可以建立自己作為一個可行的競爭對手甚至未來替代當(dāng)前硅CMOS技術(shù)只使用（100）導(dǎo)向表面。