（微电子学与固体电子学专业论文）sin应力膜研究与工艺实现.pdf

摘要 应变s i 技术可以显著提高器件载流子迁移率，提升器件性能，已成为当前国 内外关注的研究领域与发展重点。而s i n 致应变技术作为应变s i 技术的一种，通 过在器件表面淀积高应力的s i n 膜上，将应力引入沟道，提高载流子的迁移率， 优化器件性能。与其他应变s i 技术相比，s i n 致应变技术成本更低，与现有的 c m o s 工艺兼容性更好，在高速高性能器件电路中有着极其广阔的应用前景。 目前，有关s i n 致应变技术的应力产生与作用机制以及工艺实现等方面鲜有报道， 基于s i n 膜材料的化学结构与力学分析， 艺实现具有重要的理论意义和应用价值。 本论文从传统的应力引入方法入手， 系统研究其应力的产生与作用机制与工 j 基于s i n 应力膜的内部原子结构，通过 研究工艺过程中s i n 膜中化学键变化与h 原子浓度变化，分析了s i n 膜应力产生 的机理。通过对m o s 器件上的s i n 应力膜进行多种有效分割，从三种不同角度 建立了三种应力作用机制模型，分别对n m o s 和p m o s 进行研究。通过对这三 种模型综合分析，获得了较完整的s i n 膜应力作用机制模型，为s i n 膜的理论研 究与设计奠定了重要的理论基础。通过对已生长的s i n 膜施用紫外线辅助热愈合 技术等后处理技术，并对各个性能参数进行了详尽的分析，为s i n 膜的生长提供 了理论支持。 基于p e c v d 技术，本文从理论上分析了各工艺条件对s i n 膜应力的影响， 并在此基础上得到了最优化的工艺条件，完成了大量的工艺实验，成功地在s i 晶片上淀积出高应力的s i n 膜，其实验的结果与理论研究的结果高度吻合。 关键词：氮化硅膜张应力压应力应力机制 a b s t r a c ti l l a b s t r a c t i th a sb e c o m eac u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hc o n c e r na n d d e v e l o p m e n tp r i o r i t i e st h a ti n t r o d u c i n gs t r a i n e ds i l i c o nt e c h n o l o g yi n t ot h ed e v i c e i t c a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec a r r i e rm o b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eb ya p p l y i n gs t r e s s t h r o u g h o u tt h ec h a n n e l s i nf i l m i n d u c e d s t r a i nt e c h n o l o g y , s e r v e da so n ek i n do f s t r a i n e ds it e c h n o l o g i e s i n t r o d u c e ss t r e s si n t ot h ec h a n n e la n di m p r o v e st h ec a r t i e r m o b i l i t yi no r d e rt oo p t i m i z et h ed e v i c ep e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t ho t h e rs t r a i n e ds i t e c h n o l o g i e s ，s i n - i n d u c e ds t r a i nt e c h n o l o g yi sl e s sc o s t l y , e a s i e rt oa c h i e v ei np r o c e s s a n dh a sb e t t e rc o m p a t i b i l i t yw i t he x i s t i n gc m o sp r o c e s s i th a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nt h eh i g h s p e e d | h i g h - p e r f o r m a n c ed e v i c e | c i r c u i t a tp r e s e n t ，t h e r ei sf e w r e p o r to nt h em e c h a n i s mo ft h eg e n e r a t i o na n di n t r o d u c t i o no fs i n i n d u c e ds t r a i n i t h a sq u i t ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et os t u d yg e n e r a t i o n a n di n t r o d u c t i o nm e c h a n i s ma n dp r o c e s sb a s e do nt h ec h e m i c a ls t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lm e c h a n i s mo fs i nf i l m s t a r t i n gf r o mt h et r a d i t i o n a ls t r e s si n t r o d u c t i o nm e t h o d s ，b a s e do nt h ei n t e m a i a t o m i cs t r u c t u r eo ft h es i ns t r e s sf i l m ，t h i sp a p e rs t u d i e sc h a n g e so ft h ec h e m i c a l b o n d i n ga n d he l e m e n tc o n c e n t r a t i o n so ft h ep r o c e s s ，a n dg e t st h em e c h a n i s mo fs i n s t r e s sf i l m b ye f f e c t i v e l yd e v i d i n gt h es i ns t r e s sf i l mo nt h em o s f e ti n t od i f f e r e n t p a r t s ，t h r e es t r e s sm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e da n di n v e s t i g a t e df r o mt h r e ea n g l e s a c o m p l e t em o d e lo fs i ns t r e s sf i l m m e c h a n i s mi so b t a i n e d ，w h i c hl a i da ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h et h e o r ys t u d ya n dd e s i g no ft h es i ns t r e s sf i l m b ya p p l y i n gt h e u v t pa n ds o m eo t h e rp o s t - p r o c e s s i n gt e c h n i q u e su p o nt h eg r o w ns i nf i l ma n db ya d e t a i l e da n a l y s i so fv a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rp r o v i d et h eg r o w t ho f s i nf i l mw i t has o l i dt h e o r e t i c a ls u p p o r t b a s e do np e c v dt e c h n o l o g y , t h i sp 印e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo nt h es i nf i l m s t r e s sf r o mv a r i o u sp h y s i c a lc o n d i t i o n s ，o p t i m i z e dp r o c e s sc o n d i t i o ni so b t a i n e db a s e d o nt h ea n a l y s i sa b o v e h i g h - s t r e s ss i nf i l mi ss u c c e s s f u l l yd e p o s i t e do nt h es iw a f e r s i n t h e e x p e r i m e n t sb a s e dt h e s ed a t aa b o v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l r e s e a r c hr e s u l t sh i g h l yc o n s i s t e n t k e y w o r d s ：s i nf i l m ，t e n s i l es t r e s s ，c o m p r e s s i v es t r e s s ，s t r e s sm e c h a n i s m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 早在1 9 6 5 年，摩尔先生( g o r d o nm o o r e ) 发现了集成电路上能够容纳的晶体管 的数目，每1 8 个月就会翻一番】，器件的特征尺寸会缩小3 0 ，器件的性能也 会提高一倍，这就是大名鼎鼎的摩尔定律。而在此之后的四十多年内发现，集成 电路的发展规律几乎完美地符合了摩尔定律，由下图1 1 可以看出，从1 9 7 0 年到 2 0 0 4 年，器件的特征尺寸从1 0 i t m 减小至4 5 n m ，这与摩尔定律也较好地吻合。 图1 1 晶体管的尺寸随年份的变化 在过去四十年多来，半导体业界通过不断对m o s 器件的尺寸进行等比例缩 小以提高器件的性能和降低器件的成本。等比例缩小一方面使得集成电路单位面 积上的晶体管的数量随时间出现指数关系增长，另一方面也使得晶体管的性能不 断地提升。而近年来，摩尔定律却受到严峻的挑战。因为按照摩尔定律中每1 8 个月集成电路的运算速度会翻一翻的规律来计算，很容易发现，随着集成电路运 算速度的提高，其集成度也不得不相应地提高，在c p u 芯片上的直接表现即半导 体器件会排列得越来越密，电路的走线宽度变得越来越窄，最终趋近或达到器件 的物理与工艺极限。当半导体器件的特征尺寸缩小到3 2 r i m 甚至更小，达到深亚 微米尺寸时，系统对电路和器件性能的要求也越来越高，传统体s i 的集成电路的 发展已受到其工艺以及其材料本身性质的限制，建立在体s i 基础上的半导体技术 正在面临着严峻的挑战。 在传统体s i 器件接近其物理极限时，传统的平面结构也面临着诸多问题： ( 1 ) 短沟道效应严重1 1 2 1 ； ( 2 ) 受栅氧化层厚度限制，当栅氧化层很薄时，器件的隧穿电流很大； 2 s i n 膜应力研究与工艺实现 ( 3 ) 受结深限制【1 - 3 l ； ( 4 ) 多晶s i 栅电阻随栅长变窄会迅速变大，这样再采用传统的减小特征尺寸的 方法来提高器件的性能将受到成本和技术的双重限制。 在这样的情况下，科学家们开始研究其他提升器件性能的技术，新材料、新 技术、新工艺、新结构均被提出。目前已经提出多种新材料或新工艺，如高k 栅 介质工艺、鳍形栅技术、金属栅技术以及应变s i 技术等等【1 4 】。其中，应变s i 技 术以其较低的工艺成本、优良的工艺兼容性、十分广阔的发展前景得到了业界的 广泛关注。应变s i 技术能够明显地提高m o s 管的频率，使产品的性能大幅度地 提高。 与常规的体s i 技术相比，应变s i 技术具有下述三点的优势： ( 1 ) 能够显著地提高载流子的迁移率； ( 2 ) 能够有效地增加器件的跨导； ( 3 ) 能够增强器件的驱动电澍1 5 j 。 虽然在实际的生产工艺中应变s i 技术已经得到了广泛的应用，但是单纯从器 件的生产制造的角度来看，传统的应变s i 工艺的引入仍是十分昂贵且复杂的，这 就使得科学界在努力研发一种新的替代技术以在器件中提供等效的应变。作为一 种新的应变s i 技术，s i n 致应变技术应运而生了。通过将张应力和压应力的s i n 膜分别淀积在n m o s 和p m o s 上【1 6 l ，可以有效地在沟道中引入张应力和压应力， 从而相应地提高电子和空穴的迁移率，进而提高器件的性能。 1 2 国内外研究动态 运用应变s i 技术提高载流子的迁移率，早在上世纪五十年代就已经得到业界 的广泛认可，而今随着科学技术的进一步发展，应变s i 技术则越来越具有广阔的 应用前景和发展价值。最早开展应变s i 领域研究的是美国的贝尔实验型1 7 j l i 8 j ， 在g e n ef i t z g e r a l d 博士和m a y a n kb u l s a r a 博士创建的a m b e rw a v es y s t e m s 公司里 把应变s i 技术进行了商业化 l 9 1 。截止2 0 0 5 年a m b e rw a v es y s t e m s 公司已经在 应变s i 技术及其相关领域内申报了一百余项专利。早在2 0 0 1 年6 月在日本举办 的v l s i 技术研讨会上，i b m 和h i t a c h l 分别介绍了应变s i 技术在半导体器件 的应用上所具有的突出优点【1 1 1 0 1 ；而在2 0 0 4 年，i n t e l 则首次将应变s i 技术应用 在其9 0 n m 工艺的奔i v 处理器上。而在2 0 0 5 年举办的国际电子器件会议( i e d m ) 上，i n t e l 和t o s h i b a 分别推出了用于4 5 n m 工艺的新一代应变s i 技术【l 】【1 1 2 1 。 在s i n 致应变技术领域，近十年的发展也异常迅猛。在2 0 0 4 年的国际电子 器件会议上，i b m 、a m d 、t o s h i b a 、t s m c 等数家公司联合推出同时引入张应力 和压应力s i n 膜的双应力技术，同时提高了n m o s 和p m o s 的性能，而基于p o w e r 第一章绪论 p c 架构的i b m 和a m d 6 4 b i t 微处理器的频率分别提高了7 和1 2 t 1 _ 1 3 】。而在2 0 0 5 年，f u j i t s u 成功地开发出了新的制造技术，该技术是通过有选择性地仅在n m o s 上淀积s i n 膜，并且在栅极上淀积多层s i n 膜向n m o s 的沟道内引入更大张应力 的一种新型应变s i 技术( s e l s s t r a i ne n h a n c i n gl a m i n a t e ds i n ) u 1 4 】。在2 0 0 7 年前 后，i n t e l 和a m d 公司的双核、三核以及多核微处理器中，均运用了s i n 致应变 技术，大大提高了产品的工作频率和性能表现5 1 1 1 - 1 6 1 。 而国内目前也加大了对应变s i 技术加大了科研的投入，在应变s i 技术以及 s i n 致应变技术的科研方面取得了诸多成绩，主要的研究机构一般为部分院校和 科研院所，例如西安电子科技大学、复旦大学、浙江大学、电子科技大学、上海 为系统所、中科院半导体所等等。 1 3 论文主要研究工作及安排 本论文主要研究了s i n 膜的应力产生机理、引入机制及其工艺实现。主要研 究内容包括s i n 膜的内部结构、应力的产生机制以及应力引入沟道的机制及其后 处理机制，张压应力s i n 膜的工艺实现，以及一些可靠性研究与相关的实验验证。 本论文的章节按如下结构进行安排： 第一章：绪论，介绍了本论文的研究背景及其研究意义，阐述了s i n 致应变 技术的概况及其技术优势，介绍了国内外对于应变s i 技术以及s i n 致应变技术的 研究动态；最后说明了本论文的工作及安排。 第二章：应力引入方法，首先研究了应变s i 技术的基本原理：随后从全局应 变技术和局部应变技术两个角度分析了应变s i 的应力引入沟道的方法；最后从工 艺的角度分析了常见的三种s i n 致应力技术。 第三章：s i n 膜应力机制研究，首先从理论上分析了s i n 膜的应力机制；然 后分别研究了张应力s i n 膜的微观结构，从原子层面运用化学键理论分析了应力 的产生机制与作用机理；随后本文重点研究了s i n 膜致应力作用机制，即s i n 膜 将应力引入器件的沟道的作用机理；最后研究了s i n 膜在后处理工艺中，应力提 升的机理。 第四章：s i n 应力膜工艺实现，通过分析应力膜的工艺机理，通过实验论证， 确定了适当的工艺条件与工艺参数，以生长高应力s i n 膜。并在s i n 膜淀积实验 的过程中，研究各个工艺条件对生成s i n 膜应力的影响。 第五章：总结与展望，总结本论文已经完成的工作以及未来可以进一步完善 和发展之处。 !兰型堕皇垄堕壅皇三茎壅墨 一 - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 。_ 。- i - _ - - _ - - - _ - - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - i - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ 。一 第二章应力引入方法 5 第二章应力引入方法 s i n 致应变技术因其低成本，高工艺兼容性，在高速高性能器件电路中有着 极其广阔的应用前景。而对s i n 致应变技术进行研究，首先需要综合研究各种应 力引入方法的机理与优缺点。本章首先分析了应变s i 技术的物理机制与作用机 理，然后对应变s i 技术的应力引入方法进行了分类研究，最后本章分析了一些常 见的s i n 应变技术，并进行了相互比较，为后续章节的撰写提供了理论与实验基 础 2 1 应变s i s i 材料通过与其它材料的接触融合产生应变。若该材料的晶格常数大于s i 的晶格常数，当s i 材料与其接触时，s i 的晶格常数将被拉大【2 1 j ；若该材料的晶 格常数小于s i 的晶格常数，当s i 材料与其接触时，s i 的晶格常数将被压缩。以 g e 材料为例，s i 材料和( 淹材料之间存在着4 2 的晶格失配1 2 2 j ，在g e 材料表面 生长s i 材料时，s i 材料的晶格间距将被拉大。如下图2 1 所示，s i l x 呶材料的 晶格常数介于s i 的晶格常数与g e 的晶格常数之间。 ( 1 ) s i 的晶格示意图 s i t i c o n g e r m a n l u m ( 2 ) 大晶格材料的晶格示意图如g e ( 3 ) 应变后的晶格示意图 图2 i 双轴应变硅技术示意图 s i l 。g e ，【材料的晶格常数在理论上可以依照v e g a r d 定则式( 2 1 ) 进行计算： 取2 ( 1 - x ) + x 。a s 式( 2 1 ) 而其实测值如下式( 2 - 2 ) ： 6 s i n 膜应力研究与工艺实现 ，必= 0 5 4 3 1 + o 0 1 9 9 2 x + 0 0 0 0 2 7 3 3 x 2 ( n m ) 式( 2 2 ) 由于s i 的晶格常数小于s i g e 的晶格常数，这样s i 的晶格将在x 轴和y 轴方 向上受到四个方向的拉伸，由于晶胞的体积一定，则晶格在z 轴方向上即受到压 缩。所以，在s i 材料生长的平面内，生成了具有双轴张应力的单晶s i 薄层【2 l 。 该s i 薄层受到来自s i g e 层的张应力，使得s i 导带底附近六度简并能谷6 分裂 成一个二度简并能谷2 和一个四度简并能谷4 。其中，4 能谷上升，而2 能 谷下降，2 能谷的有效质量分量i t i l 2 与s i g e s i 界面相垂直，而能谷的有效质 量分量m 1 4 与s i g e s i 界面相平行【2 4 】【2 5 1 。如下图2 2 所示： u n s t r a 玎1 e as ls t r a j n e as i 图2 2 弛豫s i 与应变s i 的能谷示意图 简并能谷间的分裂值可以用下式( 2 3 ) 来表示： 岷产o 6 7 x ( e v ) 式( 2 - 3 ) 其中x 是s i l 啪g e x 材料中的g e 摩尔组分百分数。通过式( 2 3 ) 可以得出，s i l 嚎g e x 衬底中g e 的组分越高，s i l 疆g e x 材料的晶格常数和s i 的晶格常数的差异也就越大， 对s i 应变层施加的张应力也就越强，从而使应变s i 导带底附近能带的分裂值也 越大。 休硅 k 应变硅 【 h j0 峰 l 、， 如坞峨 适 恕 图2 3 应变s i 导带底附近能带分裂示意图 同样地，在张应力作用下，应变s i 的价带顶也会在r 点分裂成一个轻空穴带、 一个重空穴带以及一个自旋一耦合的第三空穴带口一。如上图2 3 所示，轻空穴带 的能量上升，重空穴带的能量下降，自旋一耦合空穴带的能量也有所下降b 7 1 。其 中在价带顶附近r 点的轻空穴带能量的分裂值可以以下式( 2 - 4 ) 表示： 幄l - h ) 简= 0 3 8 x ( e f ) 式( 2 - 4 ) 第二章应力引入方法 其中x 是s i l 嚎g e x 材料中g e 的摩尔组分百分数。 这样，在张应力的作用下，应变s i 的禁带宽度将会由上移的轻空穴带顶和下 移的二度简并导带底共同决定。禁带宽度的值由下式( 2 5 ) 确定： 乓，麟= 1 1 l 一0 6 x ( e v ) 式( 2 - 5 ) 其中x 是s i l - x g e x 材料中的g e 组分摩尔百分数。 而压应力对应变s i 能带的作用与张应力的作用恰好相反。当压应力作用时， 导带底最小值附近六度简并能谷6 分裂成一个二度简并能谷2 和一个四度简并 能谷4 。其中4 能谷下降，而2 能谷上升，电子的传输特性将会由4 能谷决 定的。 同样地，在压应力作用下，应变s i 的价带顶也会在r 点分裂成一个轻空穴带、 一个重空穴带以及一个自旋一耦合的第三空穴带。轻空穴带的能量下降，重空穴 带的能量上升，自旋一耦合空穴带的能量也有所下降，空穴的传输特性是由重空 穴带决定的。 b p h m eo t z t - o f - l a | a 一一7 、一 l ，厂 、i l h lt s o l 嘲，一、牛 l 厂。 a ； l i f tf 厂 、一，o j u 挂，7、手 ，。 。玉f 一 ， ， 嘣l 厂、 l o ， 秭铂m 即h h b( c t c m i k 图2 4 价带在弛豫、受压应力和受张应力下的情况 r e l a x e d e 0 6 xe v t e n s i l e 图2 5 张应变s i 的能带和弛豫s i g e 的能带比较 由图2 5 可知，张应变s i 的禁带宽度e g 相比弛豫体s i 的禁带宽度e g 变窄了， 8 s i n 膜应力研究与工艺实现 而随着g e 组分变得越大，禁带宽度e g 就会变得越窄。这一变化会使得载流子的 有效质量降低，而且由于能带简并度的降低，减d , t 载流子的带间散射，从而使 得应变s i 载流子的迁移率上升犯3 】。 在s i l x g e x 材料中，当g e 组分x 达到o 8 5 之前，其能带结构基本保持着s i 晶体的能带结构特征。而当g e 组分大于0 8 5 以后，其能带结构就开始接近于g e 单晶的能带结构了【2 纠。 s i l x g e x 材料的禁带宽度可以用下式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 表示： 乓= 1 1 5 5 0 4 3 x + 0 0 2 0 6 x 2 ( 0 x o 8 5 ) 式( 2 6 ) 乓= 2 0 1 0 1 2 7 x ( 0 8 5 p 劫l d o s f e i 掣蚴s g i 斛心 “p w e l i1 广n - w e l l g ei m p l a n t a t i o n p h o t or e s i s t 1 ，= _ ：氐 撅兀花鹱蓟b pv 攀 糊蚴s g 斛蛐 。p w e l l下 n - w e l l f 1 0 0 ll o 【 c md , - s o h g ei m p l a n t a t i o n p h o t or e s i s t 嚼k 7 a 雨艟瓤k p 勉泸攀 图2 2 1( a ) 张应力s i n 膜的淀积 ( b ) 压应3 i 了s i n 膜的淀积 1 8 s i n 膜应力研究与工艺实现 通过上述s i n 致应变技术，n m o s 器件和p m o s 器件的载流子迁移率会被同 时提高，因此被广泛地运用于c m o s 的生产工艺中。而在s i n 膜致s i n 致应变技 术的基础上，还有一些更优化的技术被发展出来，比如应力记忆技术( s t r e s s m e m o r i z a t i o nt e c h n i q u e ，s m t ) ，复合应变技术( c o m p o s i t es t r a i nt e c h n o l o g y ) ，压 应力类钻碳膜( d i a m o n d l i k ec a r b o n ，d l c ) 技术等等。 2 3 2 应力记忆技术 应力记忆技术与双衬垫技术的工艺步骤大体相似，但其中的衬垫膜换成了牺 牲层而已。具体的工艺步骤是这样的：在器件源漏和栅区上先淀积一层张应力的 s i n 膜，将其作为暂时的牺牲层临时提供应力。然后退火，进行杂质激活。随后 再去除s i n 膜，从而使应力记忆在器件中。最后一个步骤，即再淀积一层s i n 膜， 从而进一步提高应变。该项技术主要应用于n m o s 中，s i n 膜用来记忆张应变。 应力记忆的最关键任务是在不降低p m o s 性能的前提下，使得所需的n m o s 的 性能最大程度的提升。 图2 2 2 应力记忆技术工艺流程 应力记忆技术的工艺流程如图2 2 2 所示： ( 1 ) 在器件表面淀积无定形多晶s i 栅； ( 2 ) n 成器件的源漏区； ( 3 ) 在低温的条件下淀积高应力s i n 膜； ( 4 ) 选择性移除p m o s 上的s i n 膜； ( 5 ) 进行源漏区退火，使得多晶s i 栅重结晶； ( 6 ) 移除n m o s 上的残余s i n 膜； ( 7 ) 进行硅化反应； m 圆圆 渤旧 研 旧 惮 第二章应力引入方法 1 9 ( 8 ) 再次在低温条件下淀积高应力s i n 膜作为接触蚀刻阻挡( c e s l ) 层； ( 9 ) 进行金属化、器件的形成。 其中，第一次淀积的高应力s i n 膜的应力被记忆在了器件之中，第二次淀积 的高应力的s i n 膜再次增加了应力。 如果在栅上淀积的是张应力s i n 膜，在退火过程中s i n 膜会限制多晶s i 栅在 重结晶过程中的向上膨胀，也就是说就会在多晶s i 栅的垂直方向上留下一个向下 的压应力。因此重结晶过程中，多晶s i 栅在垂直方向上是被压缩的，而又因为 s i n 膜的作用，使得器件在沟道方向上是被拉伸的，这样就在n m o s 器件的导电 沟道形成一个张应力，从而提高了n m o s 器件的沟道迁移率。然而该方法对p m o s 器件的载流子迁移率影响却不明显。用该方法得到的应变c m o s 器件，其迁移率 的增大和驱动电流能力的提声与沟道中所引入的应力大小相关，而沟道中的应力 大小又与不定形生长的栅极的条件以及s i n 膜层的厚度大小有关。 2 3 3 复合应变技术 c o m p r e s s i v e s i nl i n e r ( b i s - t e r t i a r y b u t y l a m i n o - s i l a n e ) 图2 2 3 引入了两种单轴压应变的m o s z 器件结构( s i n 致应交与引入s i g e 源，漏相结合) 在c m o s 的器件尺寸进入了4 5 r i m 节点后，又有一种新型的应变s i 器件结构 被发展了出来，如图2 2 3 所示。图2 2 3 为3 0 r i m 尺寸下p m o s 器件的结构示意图， 在图中有这些如下的重要特征：压应力的薄膜，新型s i n 堆叠栅介质， 形嵌入式s i g e 的源漏，栅退火前进行了b 的掺杂。通过形嵌入式s i g e 源 漏的设计，以及淀积的压应力s i n 膜衬垫，成功地得到了更高的器件驱动电流。 另外，使用双第三丁基氨基硅烷( b i at e r t i a r yb u r ya m i n o - - s i l a n e ，b t b a s ) n h 3 ， 得到了一种新型s i n 堆叠栅介质。与常规工艺中使用的等离子体氮化二氧化硅的 结构相比，该新结构几乎不受电介质故障寿命时间依存性( t i m e d e p e n d e n t d i e l e c t r i c sb r e a k d o w n ，t d d b ) 和负偏压温度不稳定性( n e g a t i v eb i a st e m p e r a t u r e i n s t a b i l i t y ，n b t i ) 的影响【2 。该特性的产生源于n 元素的独特分布特性：在电介 2 0 s i n 膜应力研究与工艺实现 质表面，n 元素的含量已经超过了2 2 ，而在衬底接触的界面与电介质中却迅速 降低到1 。 采用压应力s i n 膜以及形嵌入式的s i g e 源漏，能够大幅度提高器件的性 能，如图2 2 4 。而采用新型s i n 堆叠栅介质的结构，可以大幅度提高器件可靠性。 1 e 0 5 1 e 0 6 1 e - 0 7 1 e 0 8 1 e - 0 9 4 0 05 0 06 0 07 0 0 d r a i nc u r r e n t r t a g m 】 图2 2 4 驱动电流的变化趋势图 s i n 材质的薄膜能够有效增强应变，提升器件的性能。但是当栅间距被按等 比例不断缩小时，封装的密度也将随之而增加。在这个时候，栅电极之间的间隙 将被s i n 材质的薄膜占据，这将使得沟道的有效应力发生降低，从而影响器件的 性能。 然而事实上，s i n 膜的厚度与沟道内应力的大小之间没有必然的联系，s i n 膜厚度越薄，其本征应力也越大，即在s i n 膜厚度较小的情形下反而可以产生交 大的沟道应力。目前，报道的s i n 膜最大应力已经达到2 4 3 5 g p a 左右，在栅 间距不断缩小的趋势下，提高s i n 膜的应力已显得愈发重要。 2 4 本章小结 本章主要研究了s i 基应变技术基本原理，应变s i 应力引入技术的机理几种 基本的s i n 致应变技术的物理机制。总结分析了s i 基器件两种应变类型全局 应变和局部应变，及其应力引入的具体方法，包括s i n 致应变技术。通过本章主 要内容的研究，为后续章节的s i n 致应变技术的研究打下了理论与模型基础。 一e3之一一co1-13u：o 第三章s i n 膜应力机制研究 2 1 第三章s in 膜应力机制研究 随着s i n 致应变技术的广泛应用，s i n 膜在理论层面上的物理机制对于该技 术的进一步应用显得愈发重要。而在国内外的研究报道中，对于s i n 膜的内部结 构、应力作用机制等方面鲜有报道。因此本章重点研究分析了s i n 膜的应力，从 原子层面上剖析了s i n 应力膜的内部机制以及应力的产生与释放机制，深入地研 究了s i n 膜对沟道的作用机制以及后处理工艺中的应力提升机制。为本文后面的 工艺实验提供了的理论基础与理论支撑。 3 1s i n 膜应力分析 一般来讲，固态的薄膜都处于某种应力状态中，s i n 膜亦是如此。薄膜所受 的应力一般可以分为外应力和内应力，其中外应力即薄膜所受到的来自于外部施 加的力，而内应力则是源于薄膜的生长和制造过程中，薄膜的内部所自身产生的 应力。薄膜的内应力又被分为热应力和本征应力两个部分，其中热应力的产生是 因为薄膜和所淀积基片的热膨胀系数出现了不同以及沉积温度与测量温度出现了 不同；而薄膜本征应力的形成机制至今仍尚无定论。目前主流的研究成果均认为 本征应力与薄膜内部的价键结构以及其中游离的s i 与n 元素含量有关。 3 1 1 热应力 当s i n 膜的沉积温度与测量温度出现不同时，s i n 膜中则会存在热应力。热 应力的形成机制是比较简单的：当盖有s i n 膜的器件从沉积温度冷却至测量温度 时，s i n 膜与s i 基片都要随着降温而发生收缩，但是两者的收缩程度却有所差别。 如果s i n 膜的热膨胀系数比s i 基片的热膨胀系数大【3 1 】，则s i n 膜即会发生较大 形变的收缩，结果即s i n 膜受到了张应力，而s i 基片受到了压应力；若s i 基片 的热膨胀系数比s i n 膜的热膨胀系数大，则s i n 膜受到了压应力，而s i 基片受到 了张应力。事实上，s i n 膜的热膨胀系数是3 5 x 1 0 击，而s i 基片的热膨胀系 数是2 6 1 0 击。经由热应力计算公式计算得到，当淀积的温度为1 0 0 - - 4 0 0 时，s i n 膜的热应力为张应力，应力值为0 4 g p a - - 11 0 g p a ，。 3 1 2 本征应力 对于s i n 膜本征应力的形成机理，至今尚未形成统一、确切的结论。学术界 一般认为可以以s i n 膜内部的价键结构和游离的s i 元素单质以及n 元素单质含 s i n 膜应力研究与工艺实现 量作为影响本征应力的重要因素【3 2 j ，并以此对s i n 膜本征应力的产生机制做了深 入的分析和研究。当s i n 膜的结构十分致密且不含游离的s i 元素单质或n 元素 单质时，可将其作为体型箔材，此时s i n 膜本征应力非常小，可以忽略不计。但 是当s i n 膜内部的空洞或缺陷较多时，空洞或缺陷附近的s i n 膜分子以相互间的 引力维持s i n 膜的形态，s i n 膜因此而呈现出张应力；而当游离的s i 元素单质或 n 元素单质被填充到这些空洞中时，游离的s i 元素或n 元素的单质原子分子会 对空洞周围的s i n 膜分子产生挤压的力，即s i n 膜因此呈现出压应力。另外，本 征应力与沉积温度的变化也有一定的关系。 3 2s i n 应力膜结构研究 在沉积s i n 膜的过程中，选择恰当的沉积工艺所制作出了接近标准化学计量 比的s i n 膜，此时的s i n 膜中游离的s i 元素或n 元素的单质含量少，而且膜层 均匀且致密性很好。此时s i n 膜的本征应力相对较小，其内应力主要是由热应力 组成的。若s i n 膜的沉积工艺发生了变化，则会导致s i n 膜中的缺陷和游离的s i 元素或n 元素的单质含量增多，s i n 膜具有较大的内应力，s i n 膜内应力此时则 表现为本征应力和热应力相叠加的结果。总体而言，通过测量得到的s i n 膜的总 应力很大程度上是有s i n 膜的本征应力决定的。 改变进入反应腔的气体流量比将直接导致s i n 膜的游离s i 元素或n 元素的 单质含量以及s i n 含量比的改变。改变沉积温度将不仅影响s i n 膜的热应力，s i n 膜的本征应力也会受到影响。而改变功率密度则会改变了s i n 膜的分子结构，当 形成的s i n 膜的缺陷较多或游离的单质元素较多时，s i n 膜的应力将显著增大。 3 2 1 张应力s i n s i n 膜中的本征应力产生主要是因为在下图3 1 所示的三角形平面内以n 原 子为中心的结构单元有着趋向于形成具有低能量价键的特点1 3 3 】，这也是以s i 原 子为中心的四面体晶格结构所具有的固有本性。正是由于这s i 原子与n 原子的 化合价不同，于是就会导致应变。 ， 1 之0 图3 1 ( a ) s i 晶胞的四面体结构( b ) n 晶胞的平面正三角结构 第三章s i n 膜应力机制研究 1 h 4 ：n 毒一n ：! 1 1 1 1 ：h ，l 一h n 三s u r f a c e 扣h 麓n 客囊i 一 。 “h 。” h ! z o n e n蓉麓簿_-h；：b ” 、刍雨。：矗： - ：一：、 一 7 、，：。e 1 ” t t - u m l k ：s - ：n h - 葛；l 。- 三，：一毒， 等s 卜- 专多h ： 害铽等s 。 爱o h ： 尹nh h - - n - 0 2 0 2 0 芒 ；0 0 2 0 3 0 2 0 0 一 e ；0 1 0 2 0 3 0 , 200 2 0 4 x 【u m ( a ) 结构示意图 e e 0 0 1 0 2 o 3 0 2 0 20 , 4 x 【u m 】 ( b ) 应力分布图 图3 9 完全覆盖张应力s i n 膜的器件结构剖面图 0 2 【u r n o 2 0 4 ( a ) 结构示意图 3 1 - 0 , 2 0 0 一 e ；0 1 0 2 0 3 呲o x 【u r n l 0 2 仉4 ( b ) 应力分布图 图3 1 0 仅栅区正上方覆盖张应h s i r 、i 膜的器件结构剖面图 o - 2o x 【u m j 。2