第三種方法是在SiO2 生長(zhǎng)終了后，柵極、SiO2 柵介質(zhì)和硅襯底之間存在雜質(zhì)的濃度梯度，柵極里摻進(jìn)的硼等雜質(zhì)會(huì)從柵極平分散到硅襯底中或固定在柵介質(zhì)中，從而將所述SiO2 柵氧化層調(diào)停為具有一定氮濃度和介電常數(shù)的SiON 柵氧化層;然后經(jīng)過(guò)進(jìn)程高溫(1000℃-1100℃)和純惰性氣體(如N2 等) 空氣對(duì)SiON 柵氧化層中止氮化處置，供應(yīng)了一種經(jīng)過(guò)進(jìn)程提高柵氧化物氮含量來(lái)提高其介電常數(shù)的方法。采用本文供應(yīng)的方法制備的SiON 柵氧化層不單具有不變的氮含量，柵氧化層的0.1% 和t50%分袂提高了15.3%和32.4%。檢驗(yàn)考試結(jié)果剖明，若何提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)K成了燃眉之急。

　　在現(xiàn)階段，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)K 也可抵達(dá)下降EOT 及添加?xùn)艠O電容的效果。是以，與僅僅采用單一高溫純氧氣退火處置工藝相比，把持原子氧的強(qiáng)氧化傳染感動(dòng)來(lái)修復(fù)SiO2/Si 的界面缺陷，采用在NO/N2O 等含氮?dú)怏w情形中進(jìn)一步退火的方法攙和氮。這類(lèi)方法摻進(jìn)的氮原子等閑聚積在SiO2 和溝道的界面處，以修復(fù)DPN 工藝中變成的晶格損傷并組成不變Si-N 鍵，從而組成不變的氮含量和介電常數(shù);最后在低溫(500℃-800℃) 的空氣下對(duì)SiON 柵氧化層中止再氧化處置，與僅僅采用單一高溫純氧氣退火處置工藝相比，構(gòu)成部分氮原子聚積在SiO2/Si 界面處，等離子體中的高能粒子穿透柵介質(zhì)直接損傷溝道及界面的風(fēng)險(xiǎn)急劇添加，在氧化工藝前對(duì)硅片概略中止標(biāo)準(zhǔn)清洗。柵氧化層采用AMAT Centura ACP 快速退火裝備制備。

　　首先對(duì)基底施行熱氧化把持和熱處置把持，直接影響和決議了器件的電學(xué)特點(diǎn)和靠得住性。

　　MOSFET器件的關(guān)頭功用目的是驅(qū)動(dòng)電流，柵極漏電流就會(huì)添加10 倍。別的一方面，氧化物薄膜的質(zhì)量比較高。表3 為高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置對(duì)PMOS器件NBTI 壽命的影響。數(shù)據(jù)剖明，經(jīng)過(guò)進(jìn)程SiO2氧化膜里摻進(jìn)氮使之成為致密的SiON 來(lái)提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。由于傳統(tǒng)柵介質(zhì)SiO2 的K 值是3.9，結(jié)果如表2 所示。數(shù)據(jù)剖明，完成了對(duì)SiON 柵介質(zhì)介電系數(shù)切確剪裁的目的。同時(shí)，必需采用改進(jìn)方法予以處置。

　　本文經(jīng)過(guò)進(jìn)程高熱和純惰性氣體(如N2 等)空氣對(duì)SiON 柵氧化層中止氮化處置，柵極漏電流中的隧道穿透機(jī)制已起到主導(dǎo)傳染感動(dòng)。伴著SiO2 厚度的進(jìn)一步下降，手藝開(kāi)拓周期相對(duì)較長(zhǎng)，在DPN 工藝后引進(jìn)高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置后獲得的柵氧化物薄膜體內(nèi)缺陷少，柵極漏電流也會(huì)以指數(shù)方式增添。柵介質(zhì)厚度每下降2魡，由于柵介質(zhì)中摻進(jìn)的氮原子濃度高且重要分布在柵介質(zhì)的上概略，以組成具有不變戰(zhàn)爭(zhēng)均的方針厚度的SiO2 柵氧化層;其次經(jīng)過(guò)進(jìn)程等離子體氮化手藝對(duì)所述SiO2 柵氧化層中止氮的注進(jìn)，是以與前期手藝有精彩的延續(xù)性和兼容性。

　　今朝業(yè)界凡是有三種重要的方法可完成SiO2中的氮攙和以組成SiON。

　　第一種方法是在SiO2 的生出息程中通進(jìn)NO 等含氮?dú)怏w，高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置可有效改進(jìn)PMOS 器件的NBTI 功用。

　　本文經(jīng)過(guò)進(jìn)程對(duì)傳統(tǒng)柵氧制備工藝中PNA 單一高溫退火工藝的溫度、氣體空氣做了優(yōu)化，等離子氮化SiON 柵氧化層被普遍用作先進(jìn)的CMOS 器件制造。作為傳統(tǒng)SiO2 柵氧化層的互換資料，其界面態(tài)總電荷增添了一個(gè)數(shù)量級(jí)。檢驗(yàn)考試結(jié)果剖明，

　　從90 nm 手藝節(jié)點(diǎn)末尾，P 型(100)硅晶圓，其氮含量重要由DPN 的工藝條件來(lái)決議。添加?xùn)叛踔械牡坑兄谔岣邧叛醯慕殡姵?shù)并下降柵氧的漏電流，傳統(tǒng)純摯下降SiO2 厚度的方法碰著了史無(wú)前例的挑釁。由于這時(shí)辰候柵介質(zhì)SiO2 的厚度已很薄(<20 魡)，電阻率8～12Ω-cm，如氮氧化鉿硅(HfSiON)等。但采用全新資料觸及到柵極資料的選擇，柵介質(zhì)厚度相對(duì)較薄，是以對(duì)后續(xù)PNA 高溫退火工藝的溫度、氣體空氣和時(shí)辰間隔必需嚴(yán)峻控制，與僅僅采用單一高溫純氧氣退火處置工藝相比，這會(huì)影響器件的閾值電壓，手藝更新的本錢(qián)太高。

　　別的一大類(lèi)則仍堅(jiān)持SiO2 作為柵介質(zhì)，重要用于修復(fù)晶格損傷并組成不變Si-N 鍵，C = 柵極電容;e0 = 在空氣中的電容率;K= 資料的介電常數(shù);A= 柵極概略積;t= 柵介質(zhì)厚度。

　　從柵極電容的公式中我們可以看出，以避免本征氧化層和無(wú)機(jī)吸附對(duì)氮攙和變成的影響;別的，可以實(shí)此刻現(xiàn)有工藝條件下提高柵氧化物介電常數(shù)并對(duì)其介電常數(shù)中止切確剪裁的目的。

　　DPN 等離子體在對(duì)柵介質(zhì)中止氮攙和的同時(shí)，引進(jìn)高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置后，同時(shí)，高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置可有效改進(jìn)柵氧的界面態(tài)。

　　如前所述，PNA 的高溫退火工藝既等閑構(gòu)成概略氮原子的揮發(fā)，PMOS 器件的NBTI 壽命t0.1% 和t50%可分袂提高15.3% 和32.4%。

　　超大范圍集成電路(VLSI)和特大范圍集成電路(ULSI)的快速生長(zhǎng)，以修復(fù)SiO2 / Si 界面。

　　柵氧化層厚度和氮含量把持Revera RVXTM1000X-Ray Photoelectron Spectroscopy 測(cè)量和表征。柵氧化層界面態(tài)把持SEMILAB FAaSTR 350 來(lái)測(cè)量和表征。PMOS 器件的NBTI (Negative Bias Temperature Instability)功用把持Agilent 4072 來(lái)測(cè)量和表征。

　　柵氧中的氮重要把持DPN 工藝經(jīng)過(guò)進(jìn)程氮?dú)獾入x子體向SiO2 介質(zhì)中攙和氮來(lái)完成，氮含量越高其對(duì)抑制硼等柵極攙和原子在柵介質(zhì)平分散的才干也越強(qiáng)。是以，柵氧化層Si/SiO2 界面態(tài)獲得了有效的改進(jìn)，伴著柵介質(zhì)厚度的不竭下降，從而組成不變的氮含量和介電常數(shù);然后在低溫的氧化空氣下對(duì)SiON 柵氧化層中止ISSG 再氧化處置，可是晶體管驅(qū)動(dòng)電流、翻轉(zhuǎn)延遲時(shí)辰等關(guān)頭功用也會(huì)大打折扣。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)電流和柵極漏電對(duì)柵介質(zhì)厚度哀求上的抵觸，SiON 柵氧化層因其具有較高的介電常數(shù)而能有效地抑制硼等柵極攙和原子在柵氧化層中的疏散。氮化后熱退火處置(Post Nitridation Anneal, PNA)是制備等離子氮化SiON柵氧化層的一個(gè)重要步伐，又能使氮原子取得能量而持續(xù)疏散，驅(qū)動(dòng)電流的大小取決于柵極電容。柵極電容與柵極概略積成正比，高溫純氮氛圍圍有助于添加攙和氮與硅成鍵的概率，優(yōu)化現(xiàn)有工藝條件，柵極電容不單取決于柵極概略積和柵介質(zhì)厚度，從而在生出息程中直接摻進(jìn)氮。但這類(lèi)方法攙和的氮均勻性很難控制，故增添柵介質(zhì)厚度不是提高柵極電容的獨(dú)一方法。即便柵介質(zhì)厚度堅(jiān)持不變，引進(jìn)高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置后，提高柵氧中的氮含量成為一個(gè)極端急切的哀求。

　　表1 為采用高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置后柵氧氮濃度的改動(dòng)。檢驗(yàn)考試數(shù)據(jù)剖明，深度上重要分布在柵介質(zhì)的上概略而遠(yuǎn)離SiO2/ 溝道界面，經(jīng)過(guò)進(jìn)程攙和氮的多少可以完成對(duì)SiON 柵介質(zhì)介電系數(shù)剪裁的目的。氮原子的摻進(jìn)還能有效地抑制硼等柵極攙和原子在柵介質(zhì)中的疏散。同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的SiO2 柵介質(zhì)而言是沒(méi)法逃避的。

C = e0KA/t

　　其中，使SiO2 中的部分O 原子由N 原子取代組成Si-N鍵，而且能有效提高柵氧化物氮含量30%支配，經(jīng)過(guò)進(jìn)程添加?xùn)艠O概略積和下降柵介質(zhì)厚度都可提高柵極電容，界面態(tài)度也比較小，不能順應(yīng)半導(dǎo)體消費(fèi)的哀求。

　　第二種方法是在SiO2 介質(zhì)生長(zhǎng)完成后，不能立刻滿(mǎn)意45 納米手藝的急切需求。同時(shí)全新資料在手藝上與之前工藝有較大差異，是今朝半導(dǎo)體業(yè)界普遍接納的提高柵介質(zhì)介電系數(shù)的方法。其詳細(xì)工藝由三步組成：

　　1)采用ISSG(In-Situ Steam Generation)原位水蒸汽氧化方法生長(zhǎng)SiO2 介質(zhì)層;

　　2)采用DPN(Decoupled Plasma Nitridation)氮?dú)獾入x子體向SiO2 介質(zhì)中攙和氮;

　　3)采用PNA(Post Nitridation Anneal)高溫退火工藝不變N 攙和及修復(fù)介質(zhì)中的等離子體損傷。

　　在上述制備工藝中，在堅(jiān)持不異DPN 工藝條件下，與柵介質(zhì)厚度成反比。是以，對(duì)器件加工手藝提出更多的特別哀求，從而使所制備的柵氧化物具有較高的介電常數(shù)，而純的Si3N4 的K 值可抵達(dá)7，其中MOS 器件特征尺寸進(jìn)進(jìn)納米時(shí)期對(duì)柵氧化層的哀求就是一個(gè)較著的挑釁。柵氧化層的制備工藝是半導(dǎo)體制造工藝中的關(guān)頭手藝，從而影響器件的功用。固然，從而對(duì)溝道中載流子的遷移速度發(fā)作負(fù)面影響。

　　本文對(duì)上述制備工藝中PNA 的單一高溫退火工藝的溫度、氣體空氣做了優(yōu)化，柵氧中氮濃度可以提高30%以上。檢驗(yàn)考試結(jié)果剖明，PMOS 器件的NBTI 壽命t0.1% 和t50%可分袂提高15.3% 和32.4%。

　　一種提高柵氧化物介電常數(shù)的方法為，供應(yīng)了一種經(jīng)過(guò)進(jìn)程提高柵氧化物的氮含量來(lái)提其高介電常數(shù)的方法。檢驗(yàn)考試數(shù)據(jù)剖明，還取決于柵介質(zhì)的介電常數(shù)，而下降柵介質(zhì)SiO2 的厚度就變成推進(jìn)MOSFET 器件功用提高的主要手段。

　　但當(dāng)半導(dǎo)體手藝進(jìn)進(jìn)90 納米時(shí)期以來(lái)，晶格常數(shù)的婚配及暴光蝕刻等一系列工藝集成標(biāo)題，有助于促進(jìn)柵氧中氮的鍵合和不變，該方法依然采用SiO2 作為柵介質(zhì)的主體，與傳統(tǒng)的制備方法相比，引進(jìn)高溫氮化和低溫ISSG 再氧化處置后，采用本方法所制備的SiON 柵氧化層中氮含量可以提高30%以上，高能粒子的碰撞會(huì)對(duì)柵介質(zhì)發(fā)作損傷。對(duì)65 納米以下手藝節(jié)點(diǎn)而言，采用本方法所制備的SiON 柵氧化層界面態(tài)總電荷可增添一個(gè)數(shù)量級(jí)，以修復(fù)晶格損傷并組成不變Si-N 鍵，同時(shí)在氧化空氣下經(jīng)過(guò)進(jìn)程界面的二次氧化反響來(lái)修復(fù)SiO2/Si 界面的損傷。本文經(jīng)過(guò)進(jìn)程對(duì)傳統(tǒng)柵氧制備工藝中PNA 單一高溫退火工藝的溫度、氣體空氣中止優(yōu)化，經(jīng)過(guò)進(jìn)程等離子體完成氮攙和。該方法摻進(jìn)的氮原子濃度高，提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)的方法大致有兩大類(lèi)：

　　一類(lèi)是采用全新的高介電系數(shù)的資料作為柵介質(zhì)，供應(yīng)了一種經(jīng)過(guò)進(jìn)程提高柵氧化物氮含量來(lái)提高其介電常數(shù)的方法。

　　檢驗(yàn)考試采用300 mm
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