（微电子学与固体电子学专业论文）氮化硅应力引入技术及实现.pdf

摘要 摘要 在器件中引入应变硅技术，通过应力对沟道的作用，可以增强载流子迁移率， 提高器件性能。在器件尺寸不断缩小的今天，基于c m o s 工艺的应变硅技术正得 到越来越广泛的应用。氮化硅致应变技术属于应变硅技术的一种，通过在器件上 淀积高应力氮化硅薄膜，对沟道引入应力，提高载流子迁移率，达到优化器件性 能的目的。相比于其他应变硅技术，氮化硅致应变技术在工艺上更加简单，且有 着更低的成本，具有很好的发展前景。 本论文主要对氮化硅致应变技术进行分析，研究其应力引入技术机理及实现 方法。本论文研究了氮化硅薄膜产生应力的原因，分析了应力引入器件的方法及 其实现的方式，探讨了生长条件对薄膜应力的影响，在此基础上设定适当的工艺 条件，在硅片上成功淀积出本征应力高于l g p a 的氮化硅薄膜，对实验结果进行分 析，与理论研究结果相符合。 关键词：应变氮化硅应力引入 a b s t r i a c t l a b s t r a c t t h es 仃a i n e ds i l i c o nt e c h n 0 1 0 9 yi sv e r yu s e 向1f o rt h ed e v i c e s ，锄di tc 锄i n c r e a s e c a 币e rm o b i l i t yt h r o u 曲p r o d u c i n gs 仃e s si n t oc o n d u c t i i 培c h a n n e l ，e n h a j l c ep e r f o 彻a i l c e o fd e v i c e s 1 1 1n o w a d a y sd e v i c es i z eh a sb e e nr e d u c i n g ，t 1 1 es 仃a i n e ds i l i c 0 nt e d t l l l 0 1 0 9 y b a u s e do nc m o sp r o c e s si sb e i n gi n c r e 懿i n 9 1 yw i d e 删a g eo f 印p l i c a t i o n s a so n et y p e o fs 仃a i n e ds i l i c o nt e 6 1 1 n o l o g y ；s i l i c o nn i t r i d es 仃a i nt ec ：h n 0 1 0 9 yc a ni 1 1 仃o d u c es 仃e s si i l t o c o n d u c tc h 锄e 1n 1 1 o u 曲t h ed 印o s i t i o no f h i 曲s 仃e s sn i 缸d es i l i c o nf i l m s ，i m p r o v et h e c a 耐e rm o b i l i 吼锄do p t i m i z et l l ed e v i c ep e r f o m a i l c e c o m p a r e dt oo t h e rs 慨n e d s i l i c o nt e c h j l o l o g y ，s i l i c o nn i t r i d es 蛐1t e 6 h n 0 1 0 9 yi sm o r cs i m p l ei n 也ep r o c e s s ，h a sa l o w e rc o s t ，s oi th 嬲av e r yg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t i nt h i sp 印t h es i l i c o ni l i t r i d es 仃a i nt e c i l i l o l o g yh a sb e e l la n a l y z e d ，m a i n l mt h e m e c h 锄i s m 卸di l n p l e m e n to fs 仃i 豁si 1 1 心，d u c i n gh a u sb e e ns t u d i c d i nt 1 1 i sp 印e r ，m e r e a l s o no fs 仃e s sg e n 酬i o no fs i l i c 0 ni l i 仃i d ef i l m sh a sb e e i ls t u d i e d ；m em e t l l o d ，w 1 1 i c h m es 扛a i ni si n t r o ( 1 u c e di n 协c h 锄e 1w i t l l ，h 嬲b e e na 1 1 a l y z e d ；m er e l a t i o n s b 晒b e t w e e i l t h e 卿w d lc o n d i t i o n sa i l dt h ei n t r i n s i cs 仃e s si nf i l m sh a sb e e i ld i s c u s s e d t 啪u g ht h e s u i t a b l es e to fp r o c e s sc o n d i t i o n s ，也es i l i c o n n i t r i d ef i l m 诵t hm ei i l t r i n s i c1g p a s t r e s s h a sb e e nd 印o s i t e ds u c c e s s 龟1 l yo ns iw a f 打；a n dt h ea n a l y s i so fm ee x p 洳e n 词r e s u l t s i sc o n s i s t e n tw i t bt h et h e o r e 矗c a lr e s u l t s k e y w o r d ：s t r a i n s i c o nn i t r i d es t r e s si n t r o d u c i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：列青日期：堡墨! ：! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 刘青 日期：型 日期：兰盟! 主- 2 一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 9 6 5 年，戈登摩尔( 0 0 r d o nm o o r e ) 发现了这样的规律：集成电路上可容纳 的晶体管数目，每隔1 8 个月便会增加约一倍，特征尺寸缩小3 0 ，而性能也 将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。而在此后四十多年的进程中，我们可 以发现，集成电路的发展较完美地体现了摩尔定律，由图1 1 可见，从1 9 7 0 年至2 0 0 4 年，特征尺寸从1 0 岫降至4 5 n m ，且与摩尔定律有较好的吻合。 受i ? t 1 9 7 0 1 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 02 0 2 0 圈ll 晶体雷尺寸随年鼓的变化 四十年来，通过对m 0 s 尺寸等比例缩小来不断提高器件性能并降低器件成本， 不仅遵循摩尔定律保持单位面积上晶体管数量随时阃指数增长，而且晶体管性能 也因等比例缩小而不断提升【“ 。而在近年来，随着微电子行业的飞速发展，摩尔 定律受到了严螋的挑战。按照摩尔定律1 8 个月运算速度翻一倍的方式计算，计算 速度的提高，集成电路的集成度也要提高，这直接表现在中央处理器芯片上的晶 体管器件会越来越密，晟终迫使电路线宽不断变窄，直到到达极限。摩尔定律终 将会终结。器件特征尺寸不断缩小到3 2 衄甚至更低，随着器件进入深亚微米尺寸， 系统对器件和电路的性能要求也越来越高，体硅集成电路的发展已受到传统体硅 工艺制程以及硅材料本身电学性质的限制，以体硅为基础的半导体技术的发展面 临严峻的挑战l 2 l 。 在传统硅c m o s 器件接近它的尺寸极限之时，传统平面结构面临很多难题 】： ( 1 ) 短淘道效应很严重： ( 2 ) 栅氧化模厚度限制，栅氧很薄时，m 0 s 器件的直接隧穿电流很大： ( 3 ) 结深的限制； 2 氮化硅应力引入技术及实现 ( 4 ) 多晶硅栅电阻会随着栅长变窄而急剧上升，采用传统减小特征尺寸来提高 晶体管性能受到成本和技术上的双重限制。 在此情况下，人们开始关注其他增强器件性能的方法，新材料、新工艺、新 器件结果成为提高器件性能的首选，目前已经研究出很多新技术，如高k 栅介质、 f 心e t 、金属栅等，应变硅技术作为其中的一种也得到了广泛关注，它是提高m o s 晶体管速度的有效途径，在c m o s 中采用应变硅技术可以突破硅迁移率带来的限 制，使产品性能有大幅度的提高【l 4 1 。 应变硅技术相比于常规技术有以下三方面的优势【1 5 】 1 6 】【l r 7 】： ( 1 ) 提高载流子迁移率； ( 2 ) 增加跨导； ( 3 ) 增强电流驱动。 应变硅技术虽然已经在实际生产中成功得以实现，但从c m o s 生产制造角度 看，仍然是较为复杂且昂贵的，这促使着寻求某种替代技术以便能在s i 器件中提 供等效的应变。作为应变硅技术的一种，氮化硅致应变技术得到了业界的广泛关 注。通过在n m o s 与p m o s 上分别淀积高张应力、高压应力的氮化硅薄膜，可以 有效提高载流子迁移率，从而提高器件性能【l 鼻】。 1 2 国内外发展现状 通过应变硅技术来提高载流子迁移率早在上世纪五十年代就得到共识，如今 应变硅技术有了越来越广泛的应用和前景【l 9 】。最早在应变硅领域进行研究的是贝 尔实验室，g e i l 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 博士创建了a m b e rw a v es y s t e m s 公司并把应变硅技术进行商业化。至0 5 年a m b e rw a v es y s t e m s 公司已在应变硅 技术领域申报了一百多项专利0 1 。在2 0 0 1 年6 月日本举行的v l s i 技术研讨会上， i b m 和日立公司介绍了应变硅技术在器件应用上具有突出优点【1 1 1 】；在2 0 0 4 年， i n t e l 首次将应变硅技术应用于其9 0 1 1 m 工艺的奔4 处理器。在2 0 0 5 年的国 际电子器件会议( i e d m ) 上，i n t e l 和东芝分别推出用于4 5 n l 工艺的第二代应变 硅技术。 而国外在氮化硅致应变技术方面，也有越来越迅猛的发展。在2 0 0 4 年的正d m 上，i b m 、a m d 、东芝、t s m c 等几家公司联合推出张应力和压应力氮化硅薄膜 的双应力( d s l ) 衬垫技术，同时提高n m o s 和p m o s 的性能，基于p o w e rp c 架构 的i b m 、蝴d 6 4 位微处理器的工作频率分别提高了7 、1 2 。2 0 0 5 年，富士通 开发成功了有选择性地仅在n m o s 上形成氮化硅覆盖层的制造技术，通过在栅极 上部层压多层氮化硅薄膜来向n m o s 晶体管沟道施加更大拉伸力的应变硅新技术 s e l s ( s 仃血e n l l a i l c i n gl 锄i 1 1 a t c ds i n ) 0 1 “j 。在2 0 0 7 2 0 0 8 年，烈t e l 、a m d 的双 第一章绪论 3 核、三核以及四核微处理器中，均引入了氮化硅致应变技术，大大提高了其工作 频率和工作性能。 目前国内也对应变硅技术加大了研究力度，在应变硅技术和氮化硅致应变技 术研究方面取得了不错的成绩，主要研究机构为部分院校和研究所，如浙江大学、 复旦大学、西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科院半导体所、上海微系 统所等1 1 3 】。其中西电、成电、中电二十四所合作对应变硅材料、器件及电路进行 研究。 1 3 本论文的研究工作及章节安排 本论文主要研究氮化硅应力引入技术及实现。主要包括氮化硅应力引入技术 机理，张应力、压应力氮化硅材料结构，研究应变结构与应力保持的可靠性，实 验验证。 本论文章节按如下顺序安排： 第一章：绪论，介绍了氮化硅致应变技术及其优势，国内外应变硅技术及氮 化硅致应变技术的发展现状，以及本论文的工作及研究意义。 第二章：阐述了应变硅技术基本原理：应力产生的基本原理以及应变硅技术 提高迁移率的方法；研究了应变硅器件类型，以及不同应变硅器件中应力引入的 不同方法。 第三章：氮化硅致应变技术原理，包括氮化硅致应变产生原理，高应力氮化 硅薄膜的主要淀积方法，张应力、压应力氮化硅薄膜的材料结构，氮化硅应力对 器件沟道作用原理，高应力氮化硅薄膜在c m o s 器件中的应用，双应力衬垫技术 研究。 第四章：确定适当的工艺参数，生长高应力氮化硅薄膜，研究氮化硅薄膜淀 积过程中，各个工艺条件对应力生成结果的影响。 第五章：结论，总结本论文完成的工作以及可进一步完善和发展的地方。 第二章应变硅技术 第二章应变硅技术 目前，氮化硅致应变作为一种新技术，在c m o s 集成电路中已经开始得到广 泛关注及应用。而氮化硅致应变技术属于应变硅技术的种，因此有必要对应变 硅技术进行一定的研究和分析。本章对应变硅技术机理进行了概括，总结了应变 硅技术的两种类型：全局应变和局部应变，分析了其不同的应力引入技术。 2 1 应力产生基本原理 s i 与其它材料接触若此材料为大晶格原子，当原子渗入& 晶体中时，晶格 间距将增大：若此材料为小晶格原子，当原子渗入s i 晶体中时，晶格间距将缩小。 以g e 为例，s i 和o e 之间具有4 2 的晶格失配，当大尺寸的g e 原子掺入s i 晶体 中时，晶格间距将加大。因此s i i 。g 黾的晶格常数大于s i 的晶格常数o ”。 o _ - 。争呻o 呻争呻p _ 。- 。 l l 争_ o 争_ 。_ _ 争呻o - _ o o _ 曲呻 l l 铲 o o _ _ o 沪啼叫卜o _ 呻 ；ji 牛卜_ o 寺争争争各 f 1 1 o _ _ 。寸o _ 卜呻r 卜寸卜_ 呻 _ 。争- q 寸争州呻 _ 。 呻呻一。午叫 o q o o 寸一 ， f 2 、 t 叫 图2 l ( 1 ) 为s t 晶格，( 2 ) 为太晶格材料，o ) 为晶格应变 s “g 合金的晶格常数的理论上遵循罂删定则： 。“。讯= ( 1 一x ) + z 口 ( 2 - 1 ) 其实测值如下所示【2 2 】： 咆= n 粥1 + n 0 1 眺+ n 蚴掰( n m ) ( 2 2 ) 由于s i g e 的晶格常数大干s i ，硅晶格将经受四方畸变，在生长平面内形成具 有双轴张应变的薄层单晶s i 。s l g e 层对s 1 层产生的应力使s i 导带底附近六度简 并的a 6 能谷分裂成一个= 度简并的能谷z 和一个四度简井的能谷4 。赴能谷的 氮化硅应力引入技术厦实现 纵向有效质量m i 垂直于s 1 0 d s l 界面，而越能谷的纵向有效质量m l 平行于s i g d s i 界面】。如图2 2 所示： + ， + ， 弯f 芦 体硅矗4 应变硅 三咂嚣 、 +们-丫皿专讯彳， 第二章应变硅技术 7 轻空穴带和自旋一耦合第三带将会下移，空穴的传输特性将会由重空穴带来决定 【2 4 】 o b jl i p 蛔e o 吐t o f 口- 矗 一? 7 厂、歹7 l f l 厂 u i lf s o j l 哪，。、 一 l 厂。 a ； l hj 厂 、脚 j 慢厂一、手 ， f 一 ， ， 咕j 厂 、一，s o 斜c 删幡p 董一- 瞒i o ，。r | ，嘶k 图2 4 价带受压应力和张应力的分裂情况 这样，在张应力的作用下，应变硅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确定： t ，跚= 1 1 1 一o 6 z 忙功 ( 2 5 ) 其中z 是弛豫s i l x g e ) 【中的g e 组分摩尔百分数。 r e l 毫x e d e 。0 6 xe v ， 图2 5 受张应力的能带和弛豫s i g e 层的能带比较 由上图2 5 可见，应变s i 的禁带宽度相比体s i 将会有所减小，g e 组分越大， 禁带宽度就会变的越窄。这种能带结构的变化不仅导致载流子有效质量降低，同 时由于简并度的降低，减弱了载流子的带间散射，从而使应变硅载流子的迁移率 上升。 弛豫s i g e 合金在g e 组分达到0 8 5 之前，能带结构基本保持s i 晶体的能带结 构和特征。g e 组分大于o 8 5 后，开始接近于g e 晶体的能带结构。 应变s i g e 的禁带宽度可用下式表示【2 。5 】： 占奢= 1 1 5 5 0 4 3 工+ 0 0 2 0 6 工2 ( o 锨0 8 5 )( 2 6 ) 8 氮化硅应力引入技术及实现 露= 2 0 1 0 1 2 7 z ( 0 8 5 q 呻麟f 盯 胁m o s f e t c 砌m 。s f e t ， g 惜i m p i a n 俐o n 阿7 一d 心di ，1 匕z 4i 、丌一 幽蚴s g 斛心斗 - 一p w e n 广 n - w e f 1 0 0 l1 0n c md - s u b g el m p b n t b h o n 图3 5 ( a ) 淀积张应力氮化硅薄膜( b ) 淀积压应力氮化硅薄膜 图3 4 与图3 5 为双应力衬垫技术工艺流程： ( 1 ) 自对准生长多晶硅化物； ( 2 ) 淀积一层张应力氮化硅薄膜； ( 3 ) 使用心光刻技术将n m o s 部分氮化硅薄膜保护起来，注入g e 离子，刻 蚀掉p m o s 上的氮化硅薄膜； ( 4 ) 淀积一层压应力氮化硅薄膜； ( 5 ) 使用斛光刻技术将p m o s 部分氮化硅薄膜保护起来，注入g e 离子，刻 蚀掉n m o s 上的氮化硅薄膜； ( 6 ) 制备层间介质( i i l t 钌l a y e rd i e l e c 曲c ，i l d ) 和接触结构。 若先淀积张应力氮化硅薄膜，后淀积压应力氮化硅薄膜也可。 2 4 氮化硅应力引入技术及实现 3 2 氮化硅致应变相关技术 通过双应力衬垫技术，可以同时提高n m o s 和p m o s 器件的载流子迁移率，因 此是c m o s 工艺未来发展的方向。而在氮化硅致双应力衬垫技术基础上，还发展出 了一些更优化的技术，如应力记忆技术( s 仃e s sm e m o r i z a t i o nt e c l l i l i q u e ，s m t ) ， 氮 化硅致应变与s i g e 注入源漏相结合的技术，压应力类钻碳薄膜( d i 锄o n d l i k e c a r b o n ，d l c ) 技术等等。 3 2 1 应力记忆技术【3 3 】 应力记忆技术与衬垫技术类似，但其中的衬垫薄膜是牺牲层。通过先在器件 栅和源漏区域上淀积一层张应力氮化硅s i n 薄膜，作为一种暂时的牺牲层提供临时 的应力，然后进行杂质激活退火，然后移除薄膜，可以使器件记住这应力。最后 再淀积一层氮化硅薄膜，从而提高应变。这项技术主要是在m o s 中使用氧化硅薄 膜来记忆张应变。应力记忆的关键问题是如何在不降低p m o s 性能的条件下，获得 所需的n m o s 性能增强。 图3 6 应力记忆技术工艺流程 如图3 6 ，应力记忆技术工艺流程为： ( 1 ) 淀积无定形多晶硅栅； ( 2 ) 形成源漏区； f 1 ) 动 1 3 ) 川 喊幅 吲 倒 恻 第三章氮化硅致应变技术 ( 3 ) 低温淀积高应力氮化硅薄膜； ( 4 ) 选择性地移除p m o s 上的氮化硅薄膜； ( 5 ) 源，漏区退火，多晶硅栅重结晶： ( 6 ) 移除n m o s 上残余的氮化硅薄膜； r 7 ) 硅化反应： ( 8 ) 再次低温淀积高应力氮化硅薄膜作为接触刻蚀阻挡层； ( 9 ) 金属化与器件形成。 其中，第一次淀积的高应力氮化硅薄膜的应力记忆在器件之中，然后淀积的 高应力的氮化硅薄膜再次增加应力。 如果在栅上淀积的是层张应力薄膜，由于在退火过程中氮化硅薄膜限制了 多晶硅栅在重新结晶过程中向上膨胀，因此在垂直方向上会在栅中留下一个压应 力。重结晶过程中，多晶硅栅在纵向是被压缩，因此在横向是被拉伸，这样就在 导电沟道形成一个张应力，提高了n m o s 器件的迁移率，但是对p m o s 器件载流 子迁移率的影响不明显。用这种方法得到的应变m o s 器件，其迁移率的增加和驱 动电流能力的提高与沟道中引入的应力相关，而沟道中的应力又与不定形生长的 栅极条件以及s i n 胰层的厚度有关。 3 22 氮化硅致应变与s l g e 注入源塥相结合 】 c o m p r e s s i v e - s l n n e r f b l s t e r t i a r v b u t v l a m i n o s i l a n e ) 图37 引入两种单轴压应变的器件结构( 钮化硅致应变、s i g e 源漏) 在c m 0 s 器件尺寸进入4 5 n 皿节点后，发展出了一种新型的应变硅器件结构， 如图37 所示。图37 为3 0 n m 下p m o s 器件的新概念，其中有这些重要的特征： ( 砷压应力衬垫，( b ) 新型氮化硅堆叠栅介质，( c ) 形的嵌入式s i g e 源漏，( 4 ) 栅退火 前的b 掺杂。通过形的嵌八式s l g e 源，漏设计，以及淀积压应力氮化硅薄膜衬垫， 氮化硅应力引入技术及实现 成功得到了器件更高的驱动电流。另外，使用取第三丁基氨基硅烷 ( b l a 螂b u t y i a m m o - s n 衄e ，b t b a s y 氨气，得出一种新型氮化硅堆叠栅介质。 相比于常规的等离子体氮化二氧化硅，它几乎不受负偏压温度不稳定性( n e g n - v e b i 器t 咖p 汀a n i n s t a b i l h 弘n b t i ) 以及电介质故障寿命时间依存性( t i m e - d 印蚰d e m d 1 e l c c 廿i c sb r e a 】( d o w n ，t d d b ) 的影响。这种特性来源于独特的n 分布特性：在电 介质的表面n 的含量超过了2 2 ，而在电介质与衬底的界面迅速降低到1 。 4 d o50。的d7 d 糟mc u r r e ml i i a n l i 川 图38 驱动电流变化趋势 采用压应力氮化硅衬垫以及形的嵌入式s i g e 源，漏，可以太幅提高器件性能 如圈38 ，而采用新型氮化硅堆叠栅介质结构，可以提高器件可靠性。 3 23 压应力类钻碳薄膜技术 氮化硅c e s l 能有效提高应变，提高器件性能。但当栅间距按等比倒不断缩 小时，封装密度也随之增加，此时栅电极间的间隙被氮化硅c e s l 所占据，使得 沟道有效应力降低，影响器件性能。栅高的缩小导致了沟道区域纵向应力的缩小。 事实上，氮化硅薄膜的厚度与沟道应力大小之间没有必然的联系，薄膜厚度 越薄，其本征应力越大，在栅高较小的情况下可以产生更大的沟道应力如图39 所示。目前，有报道的氮化硅薄膜最高应力为24 35 g p a 左右，在栅间距不断缩 小的情况下提高应力变得更加重要。 而对于类钻碳薄膜( d l c ) 来说，其本征应力可以达到1 0 g p a 甚至更高：另外， 对于d l c 来说，其介电常数比氮化硅薄膜更低。这些属性与其自身结构有关，即 与它的s p 二和s 矿含量有关。d l c 薄膜有着更高的s 一含量，相比于类石墨结构， 其更接近与类钻碳结构，具有很强的硬度和惰性。 ：萎 | 曼 蝴 嗍 m 一量j一芒|noo 第三章氨化硅致应变技术 眩，! l 毒_ 一、i ，a - h p 雠h、 g a t e。，；k 却热 油 “ i 俾：。哗 “ ， 瑚d 图3 9 模拟m o s 纵向应力分布( 橱长5 0 蜘k s p a c 哪 d l c 应力村垫形成过程为： ( 1 ) 热生长s i 仉擂介质，然后淀积多晶硅栅，栅的预掺杂，以及s i 晚的硬掩模 形成； ( 2 ) 形成栅结构后进行源，漏扩散注入，接着在s i 0 2 层上形成氮化硅单a o 眭，以 及深源塌注入； ( 3 1 溅射淀积n i ，形成n i s i ； ( 4 ) 为增强d l c 薄膜的粘附性，再淀积一层s i 0 2 层； ( 5 ) 使用阴极真空电弧过滤( 6 l t 刊n l o d i cv u u m 眦，f c v a ) 淀积d l c 层， f c l 能生成很大的本征应力。 ( 6 ) 移除接触区的d l c 薄膜，再移除s 1 0 2 层。 如此所得的d l c 薄膜其本征应力可以达到1 0 g p a 以上，相比于未使用d l c 技术，其可以使器件性能提高7 4 以上。因此在未来应变硅技术发展中，d l c 技 术将会发挥更大的作用。 3 3 薄膜淀积方法 在硅集成电路工艺技术中，薄膜淀积的方法主要分为化学气相淀积f o l 锄1 c 甜 v a p o l 】rd e p 。q n o n ) 和物理气相淀积( p h ”l c a iv a p o rd 印o s m o n ) 两种哪 。对于c v d ， 反应气体送入淀积腔后在村底表面起化学反应生成薄膜；对于p v d ，采用物理方 法生成组成原子，经过低压气相凝聚于村底之上。此外还有液态膜涂覆技术即 2 8 氮化硅应力引入技术及实现 在器件上涂覆一层液态膜，加热后形成固态膜，以及电解淀积技术，用于印刷电 路版制造和多层铜互连层的淀积。对于高应力氮化硅薄膜的淀积，主要采用c v d 方法来实现。 3 3 1 化学气相淀积 化学气相淀积是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸 气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过 程。c v d 装置由下列部件组成：反应物供应系统，气相反应器，气流传送系统。 反应物先被加热到一定温度，达到足够高的蒸汽压，用载气( 一般为时或h 2 ) 送入 反应器，如果某种金属不能形成高压氯化物蒸汽，就代之以有机金属化合物。在 反应器内，被涂材料或用金属丝悬挂，或放在平面上，或沉没在粉末的流化床中， 或本身就是流化床中的颗粒。化学反应器中发生，产物就会沉积到被涂物表面， 废气( 多为h c l 或h f ) 被导向碱性吸收或冷阱。于其他淀积方法相比，c v d 淀积 温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性，重复性好，台阶 覆盖性优良。对于氮化硅薄膜淀积来说，c v d 技术包含很多方法，如等离子 体增强化学汽相淀积【3 7 】( p l a s m ae 1 1 l l a i l c e dc h 锄i c a l 、，a p o l l rd 印o s i t i o n ) 、低压化学汽 相淀积f 3 8 1 ( l o wp r e s s u r ec v d ) 、原子层淀积【3 9 】( a t o m i cl a y e rd 印o s i t i o n ) 、电子回 旋共振化学汽相淀积o 】( e l e c 缸o nc y d o 仃o nr e s o n a n c ec v d ) 等。其中，p e c v d 和 l p c v d 为最常使用的高应力氮化硅薄膜淀积方法：而对于深亚微米尺寸c m o s 来说，p e c v d 有着更好的工艺兼容性。 3 3 2 等离子体增强化学气相淀积 为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进 反应，因而这种c v d 称为等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 。其工作原理 为：形成电子密度高( 1 0 9 1 0 12 c m 3 ) 的辉光放电等离子体，电子气温度比普 通气体分子温度高出1 0 1 0 0 倍；在1 0 0 5 0 0 温度范围内，反应气体在 辉光放电等离子体中能受激分解，离解和离化，从而大大提高了参与反应物 的活性；这些具有高反应活性的中性物质很容易被吸附到较低温度的基本表 面上，发生非平衡的化学反应沉积生成薄膜。p e c v d 沉积速度快，成膜质量 好，且反应速度低，因此能兼容与6 5 衄和4 5 姗工艺。 3 4 薄膜内应力研究 一般来说，固态薄膜都处于某种应力状态之中，氮化硅薄膜也是如此。薄膜 所受的应力分为外应力和内应力，外应力为薄膜所接受外部施加的力；内应力是 第三章氮化硅致应变技术 在薄膜生长和制造过程中，薄膜内部产生的应力。薄膜的内应力包括热应力和本 征应力两部分，薄膜的热应力来源于薄膜和硅片热膨胀系数的不同以及沉积温度 与测量温度的不同；而薄膜本征应力的形成机制尚未有定论，认为与薄膜内部价 键结构以及游离s i 和n 元素含量有关。 3 4 1 热应力 若氮化硅薄膜的沉积温度与测量温度不同时，则薄膜中存在着热应力。热应 力的形成机制较简单，从沉积温度冷却到测量温度时，薄膜与硅片都要收缩，但 收缩程度不同。若薄膜的热膨胀系数较硅片更大，则薄膜倾向于更大的收缩，结 果是薄膜受张应力，硅片受压应力；若硅片的热膨胀系数较大，则薄膜受压应力， 硅片受张应力。氮化硅薄膜的热膨胀系数为3 5 1 0 击，硅片的热膨胀系数为 2 6 1 0 。6 。由公式计算得到的热应力值，沉积温度为1 0 0 4 0 0 时，薄膜的热 应力在0 4 g p a 至1 1 0 g p a 之间，为压应力。 3 4 2 本征应力 关于介质薄膜本征应力形成机制，至今尚未有确切统一的结论。认为可以将 薄膜内部价键结构及游离s i 和n 单质含量作为影响本征应力的主要因素，对薄膜 本征应力的产生机理进行讨论【3 1 l 】。当介质薄膜的结构致密且无游离的s i 或n 单 质时，可视为体型箔材，此时薄膜的本征应力很小，可忽略不计。当薄膜的缺陷 或空洞较多时，空洞周围的薄膜分子以相互吸引力来维持薄膜的状态，薄膜呈现 张应力；当游离的s i 或n 单质填充到空洞中，游离的单质分子对空洞周围的薄膜 分子产生挤压力，薄膜呈现压应力。本征应力与沉积温度的改变也有一定的关系。 3 5 氮化硅薄膜应力产生机理 在沉积氮化硅薄膜的过程中，选择合适的沉积工艺制作的接近标准化学计量 比的氮化硅薄膜，此时的薄膜中游离的s i 或n 单质含量少，膜层均匀且致密性好， 此时薄膜的本征应力较小，内应力主要是热应力；若氮化硅薄膜的沉积工艺发生 变化，薄膜中缺陷和游离的s i 或n 单质含量较多，此时薄膜具有较大的本征应力， 薄膜的内应力表现为本征应力和热应力叠加的结果。本征应力很大程度上决定了 通过测量得到的薄膜应力。 改变反应气体的流量比将直接影响薄膜游离的s i 或n 单质含量及s i 小含量 比。沉积温度的改变不仅影响薄膜的热应力，薄膜的本征应力也会受其影响。功 率密度的改变主要影响了氮化硅薄膜的结构，当形成薄膜的缺陷和游离的单质较 多时，薄膜的应力显著增大。 氮化硅应力引入技术及实现 35 1 本征张应力氮化硅薄膜 氮化硅薄膜中的本征应力主要是由于三角形平面内以氮为中心的网络结构单 元趋向于形成具有低能量价键的以硅为中心的四面体网络结构的固有本性造成 的。由于这两类原子的化合价不同，就会存在应变。 。 ”满、 图3 1 l ( 曲s l 四面体结构o ) n 平面正三角结构 以n h 3 和s 1 地为反应气体的p e c v d ( 等离子体增强化学气相淀积) 淀积张应力 s i n x h y 薄膜时，主要进行了以下三个步骤的反应p 1 封：( a ) 乙硅烷和氨基硅烷基团 的气相形成，以及这些等离子体产物的表面反应；f b l 随后的通过氢气和氨气的排 除浓缩反应而在次表面进行的多余氢的释放过程；( 曲延伸的s - n 键的形成。 见下图。 三撩麓 一h 。h “h 7 “，一1 “繁群；： 竺： ：i 啊；拣! j ：、 潴 、。，7 。：一：，；量， 一之多 。了8 、+ h 2 i “ 一亨多 o ii 墓 i ；苣j ? ：笆i ”一l 匡i 、：e = 。k 。疆宣| | ci 蓬 图33 0 ( a ) x 方向( b 】y 方向忙) z 方向 由图33 1 可以看出，对于沟道长度方向，高应力薄膜对沟道产生张应力，这 主要归园于底层c e s l 的作用而侧层和顶层则对沟道产生了一定的压应力但都 比较小。随着栅长的缩小，底层c e s l 与恻层对沟道产生的应力逐渐缩小，而顶 层c e s l 对沟道产生的应力逐渐增大。 l g m 【m l 图33 1 顶层侧层底层c e s l 对沟】l 方向应力影响 图33 2 为使用了张应力c e s l 器件的应力分布m ”。在底层c e s l ，具有本征 张应力的氮化硅薄膜形成收缩，通过其与源儡区的接触，带动源漏区形成一个沟 道方向的压应力，从而拉伸沟道，对沟道产生张应力。对于压应力c e s l 来说则 第三章氮化硅致应变技术 正好相反，压应力氮化硅薄膜挤压沟道，对沟道产生压应力 图3 3 2 张应力c e s l 器件应力分布 由图3 3 2 可以看出，在底层c e s l 其张应力最大顶层c e s l 次之，而恻层 c e s l 则区别较大，既有张应力区域也有压应变区域。而在源，漏区为压应力，沟 道为张应力。 3 8 本章小结 本章对氮化硅致应变技术进行了分析，研究了双应力衬垫( d s l ) 技术以及其他 新型氮化硅致应变技术，如应力记忆技术等等。分析了本征应力产生的原因，深 入探讨了薄膜内部结构与所产生薄膜应变大小之间的关系，对薄膜结构与应力保 持可靠性之间的关系，以及薄膜应变引入沟道的机理进行了研究。通过本章主要 内容，对氮化硅致应变技术机理有了深入的理解。 第四章氮化硅薄膜生长条件分析 4 3 第四章氮化硅薄膜生长条件分析 通过适当的生长方法，可以生成具有高应力的具有一定应力保持可靠性氮化 硅薄膜。而在生长过程中，不同的生长条件对于生成薄膜的应力与结构性质会产 生不同的影响。本章对生成高应力氮化硅薄膜的工艺条件进行了研究，分析了生 长条件与薄膜应力之间的关系，并与实验所得结果进行对照，完善理论研究成果。 4 1 高应力氮化硅薄膜淀积 对于4 5 n m 结点以下工艺，p e c v d 具有很好的工艺兼容性，因此有必要分析 p e c v d 生成高应力氮化硅薄膜的条件。p e c v d 最显著的特点是能在低温条件下沉 积性能优良的薄膜材料，避免沉积温度过高而破坏底下的膜层和基底，是在微电 子领域常用的生长氮化硅薄膜的方法之一。 p e c v d 法的反应气体为n h 3 和s i h 4 ，载气为心等惰性气体，s i h 4 ( 用n 2 稀 释到1 2 ) 与n h 3 气体流量比为0 1 至4 之间。淀积温度为2 0 0 至5 0 0 之间，反 应压强为1 0 0 m t o r r 至2 0 0 0 m t 0 r r 之间。对于张应力氮化硅薄膜，提供一个功率为 1 0 至3 0 0 w 的射频功率源，频率为1 3 5 6 m h z ；对于压应力氮化硅薄膜，提供一个 功率为1 0 至3 0 0 w 的低频功率源，频率为1 0 0 k h z 。在以上条件下发生一系列化 学反应】： 也+ 乜一甄4 + 乙硅烷和氨基硅烷基团+ ( 4 1 ) 乙硅烷以及氨基硅烷基团包括s i h 3 州h 2 ) 、s i h 2 ( n h 2 ) 2 、s i h h 2 ) 3 、n h 2 ( s 讯3 ) 、 n h ( s i h 3 ) 2 等。调节工艺参数，可以生成具有不同应力的氮化硅薄膜。 4 2 工艺参数与薄膜应力的关系 t e n s i i e c o m p r e s s i v e v ar a b l e 俞s t r e s sr e s p o n s es t r e s sr e s p o n s e t e m p e r a t u 陀 i n c r e a s e si n c r e a s e s p r e s s u r ei n c r e a 5 e sd e c r e a s e s r fp o w e rii n c r e a s e s n or e s n s e r fp o w e r d e c r e a 6 e 6 l n c r e a s e s e l e c t r o d es p a c i n gn or e s p o n 3 ed e c r e a s e s l n e ng a sf i o wn of e s p o n s el n c r e a s e s t o t a ls i h + nh 3d e c r e a s e sd e c r e a s e s t o t a ls i h ，n h 3 d e c r e a s e sn or e s p o n 转 图4 1 工艺参数与薄膜应力的关系 上图4 1 为淀积氮化硅薄膜时工艺参数的变化对生成薄膜应力的影响【4 2 1 。薄膜 氮化硅应力引入技术及实现 的内应力是在薄膜生长过程中形成的，与薄膜的结构相互影响，因此薄膜的内应力 与沉积条件有着密切的关系。研究不同沉积条件下氮化硅薄膜的内应力，可以了 解薄膜的内应力的性质及本征应力与内应力之间的大小关系。 ( 1 ) 反应温度： 随着反应温度的变化，无论是生成张应力还是压应力薄膜，都与其成正比关 系，因此在工艺要求允许的情况下尽量提高反应温度可以提高应力。 ( 2 ) 反应压强： 随着反应压强的变化，张应力与压应力变化相反：对于张应力来说与其成正 比，对于压应力来说与其成反比。 ( 3 ) 高频功率： 随着射频功率的提高，张应力薄膜应力增大，而对压应力薄膜来说没有影响。 ( 4 ) 低频功率： 随着低频功率的提高，张应力薄膜应力减小，压应力薄膜应力增大。 ( 5 ) 惰性气体流量： 随着惰性气体流量的提高，压应力薄膜应力增大，而张应力薄膜与其无关。 ( 6 ) s i h 4 与n h 3 流量比： 随着s i h 4 与n h 3 流量比的提高，张应力薄膜应力减小，压应力薄膜应力没有 发生变化。 ( 7 ) 反应气体总流量： 张应力与压应力薄膜与反应气体总流量成反比，随着反应气体总流量的提高， 其应力均会减小。 由以上分析可知，通过改变p e c v d 的工艺参数，就能得到所需要的张应力与 压应力氮化硅薄膜。 4 3 1 实验方法 4 3 实验方法与结果分析 选用抛光的( 1 0 0 ) 硅片，在等离子体增强化学气相淀积台上进行氮化硅薄膜的 淀积。按照两组工艺参数进行张应力与压应力氮化硅薄膜的淀积。对于张应力氮 化硅薄膜，淀积工艺参数为：温度3 0 0 至3 7 0 ，压强4 0 0 m t 0 r r 至1 7 0 0 m t 0 仃， 1 3 5 6 m h z 的射频功率2 0 w 至3 0 0 w ，s i h 舢30 2 至2 。对于压应力氮化硅薄膜， 淀积工艺参数为：温度2 0 0 至3 7 0 ，压强4 0 0 m t o r r 至5 0 0 m t 0 r r ，l o o k h z 的低 频功率1 5 0 至3 0 0 w ，s i h 4 惴3 流量比2 至4 。 运用钠光平面干涉法可以测量氮化硅薄膜的内应力【4 3 】。淀积的氮化硅薄膜由 于应力关系会有一定的弯曲，通过测量衬底硅片在薄膜沉积前后曲率半径的变化 第四章氮化硅薄膜生长条件分析 4 5 可以计算出膜的应力大小。 s ：三量芏土：! 旦芏土一上1 6 1 一u s0r 6 1 一d 5弓l 尺， r s ，j = 吉击等等( ，一0 ) ( 4 - 2 ) = 一一l ，v ，一f v j i 叶一z l 61 一u e 丁， d 2 、。 ”7 、。 历和班分别为硅片的弹性模量和泊松比，乃和d 分别为硅片的厚度和直径， 矸为薄膜的厚度，五为纳光的波长，m 和d 分别为硅片的干涉条纹数目。当s 为 正时为张应力，反之则为压应力。 4 3 2 实验结果与分析 ( 1 ) 温度与薄膜应力的关系： 图4 2 为在其他工艺条件不变的情况下，反应温度与形成氮化硅薄膜张应力之 间的关系；工艺条件分别为1 5 0 0 m t o l l r 的压强，2 0 0 w 的射频功率，0 3 7 5 的s i h 4 n h 3 流量比。由图4 2 可以看出，在其他工艺条件不变的情况下，、反应温度越高，形 成氮化硅薄膜张应力越大，且呈一定的线性关系。 18 02 0 0_ 2 2 02 4 02 6 口2 8 03 0 0 t e m p e r a c u r e ， 图4 2 反应温度与张应力的关系 图4 3 为在其