ISSG及其氮化工艺对NBTI效应的改善:氮化工艺
摘要:本文在对ISSG工艺特性简单分析的基础上讨论了ISSG 氧化物薄膜的可靠性问题。讨论了ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI的改善原理。数据表明ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI效应有明显的改善作用。由于原子氧的强氧化作用,ISSG工艺中最终得到的氧化物薄膜体内缺陷少,界面态密度也比较小,氧化物薄膜的质量比较高。ISSG氮化工艺与传统炉管氧化物薄膜的氮化工艺的主要区别在于N所集中的位置不一样。ISSG工艺氮化是把等离子态的N +注入到多晶硅栅和SiQ 2的界面,不会增加SiQ 2和Si衬底的界面态,从而可以显著改善NBTI效应。而传统炉管氧化物薄膜的氮化是用NO或者N 2O把N注入到SiQ 2和Si衬底的界面,这样SiQ 2和Si的界面态就会增加,从而增强NBTI效应。
关键词:原位水气生成;负偏压温度稳定性; 氮化;氧化薄膜;晶圆
1引言
二氧化硅薄膜在集成电路中有着广泛的应用,它既可以作为MOS管的栅氧化层材料,又可以作为集成电器间的绝缘介质。通常硅片上的氧化物可以通过热生长或者淀积的方法产生。在高温的环境里,通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应,可以在硅片上得到一层热生长的氧化层[1]。在这个过程中,氧化物从半导体材料上生长出来,消耗了硅。用于热工艺的基本设备有三种:卧式炉,立式炉,快速热处理器。在利用炉管进行薄膜生长的过程中,由于反应气体是沿着炉壁进入反应腔的,因此,硅片边缘部分的反应气体浓度总是高于硅片中心部分,最终造成了硅片表面薄膜从硅片中心到硅片边缘逐渐变厚。有数据显示,当生长二氧化硅薄膜15 nm时,硅片边缘部分的薄膜往往比中心部分厚1 nm。二氧化硅薄膜厚度的这一差异会造成器件特性的变化,导致产品的良率降低10%以上。为了克服二氧化硅薄膜厚度不均匀的缺点,业界往往采用改变气体流动方式、使用新型晶舟等涉及硬件改动的办法,费时费力且成本高昂。ISSG (In-Situ Steam Generation), 全称原位水气生成,是一种新型低压快速氧化热退火技术(RTP,Rapid Thermal Process),目前主要用于超薄氧化薄膜生长,牺牲氧化层以及氮氧薄膜的制备。 本文在对ISSG工艺特性做了简单分析的基础上讨论了ISSG 氧化物薄膜的可靠性问题,也讨论了ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI的改善原理。
2ISSG工艺特性简介
ISSG 采用掺入少量氢气的氧气作为反应气氛。在高温下氢气和氧气产生类似于燃烧的化学反应, 生成大量的气相活性自由基,其中主要是原子氧。由于原子氧的强氧化作用,最终得到的氧化物薄膜体内缺陷少,界面态密度也比较小。
ISSG是一种快速热处理工艺(RTP),RTP的特点是处理时间短,能在短时间内加热和冷却硅片,热预算少[2],而且硅片的温度均匀性比较好。RTP有很多应用,比如退火和氧化等。比如离子化注入工艺中就要用到RTP激活注入的离子。ISSG就是RTP在氧化方面的一个应用。ISSG工艺影响因素有三个:反应压强,气体流速和温度[3]。反应压强是影响薄膜生长模式的重要因素,它的轻微变化也会形成完全不同的薄膜生长模式,会对薄膜均匀性产生重要影响。ISSG工艺的反应压强一般在667~2000Pa之间。气体流量对生长速率有很大的影响。流量越大,二氧化硅生长速率越快。其中氢气的流量最多不能超过35%。因为超过这个极限后薄膜生长速率基本不再增大。温度对ISSG工艺的影响很小,但有实验证明ISSG对反应温度有基本要求,必须在一定的温度范围内(900~1200℃)ISSG氧化薄膜生长才能进行。
3ISSG 以及氮化工艺对NBTI的改善
下面探讨一下ISSG以及氮化工艺对NBTI(Negative Bias Temperature Instability,负偏压温度稳定性)的改善。分别用两种机台A和B对两种制程进行了对比测试分析。
3.1测试描述
我们用机台A分别对0.11μm技术节点的两片晶圆(一片ISSG方法制备的晶圆, 一片炉管方法制备的晶圆)做了NBTI测试并进行了对比分析。同样,我们也用机台B分别对0.13μm技术节点的两片晶圆 (一片ISSG方法制备的晶圆, 一片炉管方法制备的晶圆)也做了NBTI的对比测试分析。其中炉管方法制备的晶圆是指用传统炉管生长氧化物薄膜,ISSG 方法制备的晶圆是用ISSG生长氧化物薄膜。NBTI是测试电压应力条件下MOS管饱和电流的衰减情况进而推算MOS管的寿命。NBTI测试是针对PMOS进行的测试。其机理是PMOS反型层中的空穴在氧化物薄膜―Si的界面与Si-H键发生电化学反应,生成施主类型的界面态和氧化层固定电荷。正是界面态和氧化层固定电荷的存在使得MOS 的饱和电流减小,开启电压增大。
一般我们取三个不同的栅电压作为电压条件。利用式(1) 计算出施加电压前后Idsat的相对变化率:
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文