晶体管栅介质物理、工艺和特性表征技术的演变

， 于具有高介电常数 ，低栅泄漏和高击 穿场 电压。 化可 以有效降低 Ｑ Ｈ 钝化是可逆 性工艺 。氢
为 氮氧化技术推动 ＣＭＯＳ技术 向４ ｎ ５ ｍ节点 发展 。 原子键可 以对悬键 进行解吸附和去钝化 。 了对
已 对于 高 ｋ 质作 为栅介质 选择材料 的研 究已有 界面 电荷钝化进行充分了解并付诸实际应 用 ． 介 １ ０多年的历史 ．但作为 ４ ｎ ５ ｍ节 点 以上高 ｋ
对栅介质完整性 十分关键 ．因此要求进行严格的控制 。
栅
制作 方法之一 。
ｉＯ Ｓ 介质 是 Ｃ Ｓ晶体管 中的关键组成 电子应用 中还 存在 一些问题 ，主要是 由 Ｓ／ ｉ ＭＯ
一 Ｊ
．
Ｌ． Ｇｒ ｎｅ ｙｋ ｉＡ． ｏｅ ｎｄ
ｉ 表面陷 获电荷引起的可靠性 问题 。 最 Ａ Ｆ ｅｓ 和 Ｒ Ｃ ｒｙ ． ｕ ｒｔ ． ａｅ 部分 。 ｉ ＳＯ 经历 了４ 多年的演变 ． ０ 氮 界面和ＳＯ２ Ｑ． ） ｎ Ｃｒ Ｆｂ１ ｔ ｐ ｅ 氧化材 料成 为连 接过 去 和未 来 的桥 常见 的 电荷是界 面陷 获 电荷 （ ＋， 固定 电荷 Ｉ ｌｏ ，ａｌ （ 、 Ｑ ） 氧化层陷获 电荷 （ ）以及移动离子 电荷 Ｑ＋
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工艺与制造 Ｐｏ ｅ ｓ ｇ＆Ｍａｎ ｆｃｕｉｇ ｒｃ ｓｉ ｎ ｕａ ｔｒ ｎ
晶体管棚介质物理 ◆ 工艺和特性表征技术的演变
氮氧化技术使 ＳＯ 的应用向 ４ ｎ ｉ ５ ｍ节点 迈进 。氟的引入是一项复杂的工艺 ，由于这一工艺诱发的界面 陷获 电荷
电厚度不断下降。 一种 方法是对氧化硅进行氮化
界面电荷起源于 ＳＯ。 ｉ ｉ ／ 界面 的无配对硅悬 Ｓ
处理 ．或 在硅 衬 底 上 直 接淀 积 氮 氧化 物 制 作 键 。－ ｒ 常用的降低 Ｑ － ｅ 的方法是在栅 氧化 层生
ＳＯ Ｎ 氮氧化物 由ＳＯ 发展 而来 ． ｉ ｉ， 主要优势在 长之后 进行 Ｈ 退火。这种方法通过对 悬键的钝
虽然ＳＯ 具有上述诸 多优 点 ． 它在微 ｉ 但
圈 １ Ｎ 化是从氧化技 术向缀氧化技 术过 渡的最关键 的步骤 。使 用 Ｎ 退火排 ． Ｈ缳 出陷获 Ｈ ，采用 Ｏ。 浸泡法对硅 悬锂进行 中和 。
ｗｗｗ， ｃ ｉ ａｍ ａｇ ｃａ ｓ ｈｎ ｉ ｍ
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介质栅 的应用只在近几年 才有较 大进步。
三步氟化工艺
Ｔ ｅｍｐ ａ ｕｒ ｒ ｃｅ ｏｆａ Ｐ ｅｒ ｔ ｅ ｔ ａ ＯＲ ＾ Ｅ Ｒｏ Ｔ
ＳＯ 用作栅介质材料 ｉ。
临界栅 介质 的完 整性 对晶体 管开 关速
度，功耗 效率 以及器件 的可 靠性至关重要 。 几十 年来 ．Ｓ Ｏ。 ｉ 以其 独特 的化学 和物 理特 性． 简便 的工艺 和集成方法成为选择性介质 材料 。这些特性包括热动 力稳定 性 本体硅
氧化层 和稳 定的 Ｓ／ ｊ 界面 。由于具有 ８ ｊ Ｏ。 Ｓ —
０
三
芒
苎
Ｅ
９Ｖ ｅ 宽带隙特性 ， ｉ， ＳＯ 还是一种优质的绝缘 材料。 其空穴和电子势垒高度分 别为３１ Ｖ ．ｅ
和 ４ ｅ 使载 流子保 持在沟道 中。 与 Ｖ． 硅具 有 电稳 定性 ．在＜ ０ ＞ 面具有低陷获 密度 。 １０ 表
ｉ 而界面特 成 ｌ ｅ ． － 足摩尔定律的要求 ．预计 ２ ０ ０ ６年栅介质厚度将 ＳＯ 薄膜 不再 具有 本体 薄膜特性：
成为最重要 的电荷 ．对器 下降到 １ ｍ 以下 。由于 ＳＯ。 ．ｎ ０ ｉ 的物理厚度不可 为主要 因素。这 时 Ｑ＋ 能低于 １０ｎ ． ｍ，因此 为满足这一要 求 ．就要使 件性能影 响很 大。
这 做 了大量的 工作 。最著名 的是 Ｆ ｌ 及其 同事 对 近 界面反应区的动力学陷获形成的非平衡态。 ｏｅ ｙ 氘 的研究 他们对氘和氢退火Ｓ０： ｉ 的解 吸附率进 些机理已通过实验数据得到证实。一旦引入 氮 ， ｉ 氮 行 了比较 ． 证明由于具有较强的硅原子键 ． 比 ＳＯ 薄膜的介电常数随氮的 比例呈指数增长。 氘 氢 的解吸附率更低 。 引入 ＳＯ 的优 势可根据 以下公式得到评估 ｉ。
显 然 ． ０ ６年 之 后 ＳＯ， ２０ ｉ， 不能 满 足 ＩＲ Ｔ Ｓ的 要 ２ ＳＯ ， ｉ 的物理方法包括离子束溅射和氮ｉ ｋ。 ， ￣Ｊ 通 －
最 求。为适应这一挑战 ． 工业界采用 “ 两步法 ” 第 常这些方法 的优势在于低温 工作 和无氢薄膜 。 。
ｔ（ ＝ ＾ （ ｓ） ｋ ｆ ） ｓＪ ｔ ： ｋ ｆ／ Ｎ Ｎ
栅 氮氧 化层 工艺
对器件的性能要求促 使器 件不 断缩小 ． 栅氧 式中ｔ 和 ｔｒ分别 为ＳＱＮ和 ＳＯ 的栅介 ｓ ｓ＾ ｌ ＿ ） ｉ ｉ
化层 厚 度 接近 几 个 Ｓｌ ． 子层 的厚 度 ．在 质厚度要求 ＳＯＮ ＳＯ。 ． ０．分 ｋ ｉ 和ｋ ｉ 分别 为ＳＯＮ和 ＳＯ。 ｉ ｉ
（ 。 Ｑ ）
梁 栅氧化层氮化技术 已成 为当前最 重要的晶圆
由于 具有 良好 的物理 和化 学特 性 ．多年来
由于 ｌ Ｃ密度和器件等 比变化 都遵循摩 尔定
栅氧化层厚度大大下 降 ． 使得界 面的 ＳＯ 一直用作栅介质材料 。 ｉ ＣＭＯＳ 术必 须不断 律的要求 ． 技
ｍ 演变 ． 栅氧化层厚度必 须不断等比下降 才能满 作用 越来越重要 。当厚度达 到 １２ ｎ 左右 时 ．
值 １０ ｍ节点达到其物理极限。“ ３ｎ 国际半导体技术 的介 电常数 Ｋ 的增 大放 宽了对栅 介质的物理
发展蓝 图 （ Ｒ ） Ｉ Ｓ ”明确了栅氧化层 厚度必须小 厚度限定要求 。 Ｔ 引 入 可 分 为 物 理 ， 学或 热 方法 。 引 化 氮