摘要：分析了90nm及其以上技術(shù)、柵氧化及其氮處理工藝的局限性，強調(diào)了等離子體氮處理技術(shù)在90nm及其以下技術(shù)中的必要性。介紹了應用材料公司DPN MOS絕緣柵氮處理技術(shù)，并出示了部分試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：氮處理技術(shù)；柵氧化；應用材料

中圖分類號： TN305 文獻標識碼： B 文章編號：1003-353X(2004)05-0029-02
1 引言

自1957年發(fā)明MOS晶體管以來，由于SiO2易于與平面晶體管工藝集成，MOS絕緣柵普遍采用SiO2。隨著集成度的不斷提高，絕緣柵厚度也在不斷減小，表1所示為特征尺寸與有效絕緣柵厚度的對比。從表1可見，對于90nm及其以下技術(shù)，MOS絕緣柵厚度需小于1.5nm。

對于納米級厚度的柵氧化，工藝難度大，氧化層厚度均勻性難以控制。 所示為高分辨率隧道電子顯微鏡(HRTEM) 照片。由圖可見，僅僅由于原子晶向所產(chǎn)生的厚度偏差就有0.2-0.4nm。從工藝制造角度來看, 有必要對SiO2進行氮化處理以期在理想的物理柵厚度下，盡量減小有效絕緣柵厚度。

減小有效絕緣柵厚度,將影響到柵與溝道間的隧道電流，增加器件的功耗。根據(jù)隧道理論,隧道電流將隨著絕緣柵厚度的減小而迅速增大,假定絕緣柵厚度減至1.5nm，柵漏電流將增至約1000A/cm2。參考下列公式

式中，Tph為絕緣柵物理厚度；md為隧道質(zhì)量；Фb為絕緣柵與Si接觸間的勢壘高度。

規(guī)模生產(chǎn)中，目前普遍采用的是柵氧化后進行氮化處理以解決上述問題。

2 常規(guī)柵氮處理技術(shù)有效絕緣柵厚度

柵氧化后進行氮處理，可提高絕緣柵介電常數(shù)，以期在理想的物理柵厚度下，盡量減小有效絕緣柵厚度。

下式表達了有效絕緣柵厚度與柵物理厚度的關(guān)系

式中，tx為絕緣柵物理厚度；teq為絕緣柵等效厚度；ex為氮處理后絕緣柵的電介常數(shù)；eoxide絕緣柵的介電常數(shù)。

氮化處理后的絕緣柵，介電常數(shù)增大，勢壘強度提高，因而柵漏電流也相應減小。

提高介電常數(shù)必須提高氮摻雜濃度，氮濃度高，因而介電常數(shù)高。常規(guī)絕緣柵后的氮處理，不能滿足90nm及其以下技術(shù)對氮摻雜濃度的要求。

常規(guī)氮處理后，絕緣柵中的氮濃度僅有約E14cm3，而90nm及其以下技術(shù)對氮摻雜濃度的要求約E15cm3，相差一個數(shù)量級。

常規(guī)氮處理技術(shù)的另一弱點是絕緣柵中的氮主要集中于硅-SiO2界面，經(jīng)后續(xù)工序熱處理后，集中于硅-SiO2界面的氮原子很容易擴散進入溝道中，造成溝道內(nèi)載流子電遷移率下降。所示為常規(guī)氮化處理后絕緣柵中的氮分布。

基于常規(guī)氮處理技術(shù)在90nm以下技術(shù)的不足，應用材料公司通過對其成熟產(chǎn)品DPS腔體進行相應的改進后，開發(fā)了DPN（decoupled plasma nitridation）工藝。該工藝成功地應用于90nm及其以下技術(shù), 電參數(shù)測試結(jié)果表明，采用DPN處理后，可降低10%，同時柵漏電流可降低一個數(shù)量級。概括起來DPN氮化處理主要包括等離子氮處理及氮處理后的退火工藝（）。

應用材料公司利用Centura自動機械硅片傳輸系統(tǒng)，將LPCVD多晶硅、等離子氮處理、及快速熱退火腔體進行集成，實現(xiàn)了柵氧化、等離子體氮處理、氮處理后的退火及多晶硅沉積工藝。單片多腔體的系統(tǒng)集成，為90nm及其以下技術(shù)的絕緣柵工藝提供了高量產(chǎn)、高可靠性、低成本單片集成系統(tǒng)。

為避免等離子體轟擊所造成的硅表面等離子體損傷，DPN腔體摘除了直流 偏壓射頻源，增加了法拉第屏蔽環(huán)，采用電感藕合方式，有效地防止了等離子體中的離子對硅表面的正面轟擊，優(yōu)化了絕緣柵中氮的濃度分布（）。