用于應(yīng)變硅技術(shù)的高應(yīng)力SiN薄膜的開發(fā)
摘要 在高級(jí)CMOS器件中,高應(yīng)力氮化硅（SiN）薄膜是增強(qiáng)應(yīng)變的主要方法。如果要改善PMOS或NMOS器件性能,則分別需要采用具有壓應(yīng)力和張應(yīng)力的氮化硅薄膜。我們對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了回顧,根據(jù)不同的淀積和工藝處理?xiàng)l件的組合,從而得到了張應(yīng)力大于1.6 GPa和壓應(yīng)力大于2.9GPa的氮化硅薄膜覆蓋。
張應(yīng)力氮化硅薄膜
氮化硅薄膜中的本征應(yīng)力主要是由于三角形平面內(nèi)以氮為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元趨向于形成具有低能量價(jià)鍵的以硅為中心的四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固有本性造成的。由于這兩類原子化合價(jià)的不同,就會(huì)存在應(yīng)變。
現(xiàn)提出以氨氣—硅烷為反應(yīng)混合物的PECVD法SiNxHy 張應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的模型,主要包括乙硅烷和氨基硅烷基團(tuán)的氣相形成、這些等離子體產(chǎn)物的表面反應(yīng)以及隨后的通過氫氣和氨氣的剔除反應(yīng)而在次表面進(jìn)行的多余氫的釋放等過程。在這一致密工藝中形成的被拉伸的Si-N鍵會(huì)被周圍的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所限制,從而被有效地凍結(jié)為張應(yīng)力狀態(tài)。與相應(yīng)的低壓化學(xué)汽相淀積（LPCVD）相比較,由于PECVD工藝中襯底的溫度較低,則剔除反應(yīng)也較少。從而導(dǎo)致薄膜中含氫的組合較多,增強(qiáng)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的靈活性,降低了應(yīng)力。
PECVD工藝中較高的表面反應(yīng)速率,存在淹沒較慢的次表面濃縮反應(yīng)的趨勢(shì),使得收縮程度降低,形成一種多孔的微結(jié)構(gòu)。在LPCVD工藝中,較高的襯底溫度和較慢的淀積速率允許在薄膜生長過程中進(jìn)行顯著的收縮。在這些較高溫度下剔除反應(yīng)較為強(qiáng)烈,在薄膜生長過程中氫很容易去除,從而導(dǎo)致較高的張應(yīng)力。利用這一方法得到較大應(yīng)力的限制在于所需的溫度較高,典型值通常都會(huì)高于600℃,盡管和90納米結(jié)構(gòu)中使用的CoSi具有良好的兼容性,但卻不能用于65納米和45納米工藝中使用的NiSi結(jié)構(gòu)。盡管已有諸多的研究人員在探索可替代的反應(yīng)前驅(qū)體,以使低溫LPCVD成為可能,在制備高應(yīng)力氮化硅薄膜方面,現(xiàn)在已有很多的值得注意的替代方法了。
由于PECVD淀積具有較高的氮化硅薄膜產(chǎn)能,且在熱預(yù)算方面和CoSi和NiSi接觸層具有良好的兼容性,我們依然致力于PECVD的研究。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝條件進(jìn)行詳盡的綜合考察—氣體流量、壓強(qiáng)、射頻功率條件和溫度—能夠得到最大張應(yīng)力高達(dá)1.0GPa的薄膜。然而,利用LPCVD淀積能夠在較高溫度下得到大于2GPa的應(yīng)力,所以需要提出一種低溫替代工藝以獲得相當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平。開發(fā)的這一技術(shù)由淀積和后處理兩步工藝組成。在初始的淀積過程中形成了氫含量較高的張應(yīng)力薄膜。隨后對(duì)這一薄膜進(jìn)行處理,以使成鍵較弱的氫和間隙氫重新結(jié)合成氫氣的形式并擴(kuò)散出薄膜,在結(jié)構(gòu)
