可變高應(yīng)力氮化硅薄膜的內(nèi)應(yīng)力研究

孫建潔，張可可，陳全勝

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

在半導(dǎo)體制造業(yè)的快速發(fā)展期，尤其是近三十年以來，隨著芯片尺寸的不斷縮小，芯片的運(yùn)行速度也在不斷提升，而硅材料一直起著至關(guān)重要的促進(jìn)作用。但是，隨著芯片工藝技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)芯片的功能要求越來越高，硅材料物理性能方面的不足之處對(duì)芯片運(yùn)行速度的進(jìn)一步提升產(chǎn)生了一定的阻礙。為此，從20 世紀(jì)90 年代初開始，逐漸涌現(xiàn)出可以改善這種狀況的一系列新技術(shù)，如應(yīng)變硅技術(shù)、硅晶絕緣體（SOI）技術(shù)等。

應(yīng)變硅技術(shù)的工藝原理是將在金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）管的柵極下溝道處硅原子的間距進(jìn)一步拉大，降低電子通行所受到的阻力，等同于把導(dǎo)通電阻降低。當(dāng)MOS 管工作的時(shí)候，源極和漏極之間的載流子就會(huì)順利地沿著橫向拉伸方向自由通過，從而降低半導(dǎo)體器件的功耗及發(fā)熱量，對(duì)其運(yùn)行速度的提升也有一定的推動(dòng)作用。所以，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是找到一種成本較低、制備工藝簡(jiǎn)單且可工業(yè)化生產(chǎn)的方法來擴(kuò)大硅原子之間的相對(duì)間距。

2004 年IBM 和AMD 在IEDM 會(huì)議上報(bào)道了在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）表面淀積SiN 薄膜形成應(yīng)變硅的雙應(yīng)力襯底（DSL）的新技術(shù)[1]。采用該技術(shù)研制的N 型和P 型MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電流均會(huì)得到一定程度的提升。

雖然SiN 致應(yīng)變技術(shù)已經(jīng)提出很久，但是實(shí)際工藝中在Si 表面實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力（大于2 GPa）SiN 薄膜非常困難。本文以低頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積（PECVD）SiN 薄膜為基礎(chǔ)，在一定工藝下實(shí)現(xiàn)了張應(yīng)力和壓應(yīng)力的切換，且可以實(shí)現(xiàn)2 GPa 以上的高應(yīng)力效果。

2 實(shí)驗(yàn)

目前半導(dǎo)體SiN 工藝制程主要分為低壓化學(xué)氣象沉積（LPCVD）淀積SiN 和PECVD 淀積SiN。從長(zhǎng)期在線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，LPCVD SiN 應(yīng)力主要以張應(yīng)力為主[2]，低頻PECVD SiN 應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主（如圖1 所示）。

圖1 薄膜中張應(yīng)力與壓應(yīng)力的示意圖

SiN 膜覆蓋層的應(yīng)力主要包括本征應(yīng)力和熱應(yīng)力[3]。本征應(yīng)力與SiN 膜的淀積條件有關(guān)[4]，如溫度、氣體配比、射頻功率、氣壓等均會(huì)影響應(yīng)力的大小[5]。而熱應(yīng)力與SiN 和Si 之間的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，通常條件下溫度越高應(yīng)力越大。實(shí)際上常規(guī)LPCVD SiN 產(chǎn)生的張應(yīng)力隨著淀積溫度的升高反而降低[6]，很難達(dá)到1 GPa以上（如圖2 所示）。要在LPCVD SiN 實(shí)現(xiàn)高張應(yīng)力無論是從本征應(yīng)力還是熱應(yīng)力著手都很困難，因此需要尋找一種新的可以實(shí)現(xiàn)高張應(yīng)力的方案。

圖2 LPCVD SiN 膜應(yīng)力與淀積溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

本文采用低頻PECVD 設(shè)備（美國(guó)應(yīng)用材料公司生產(chǎn)，型號(hào)為P5000）制備壓應(yīng)力SiN 膜。選用未進(jìn)行過任何工藝的裸硅材料光片進(jìn)行預(yù)應(yīng)力測(cè)試，然后在低頻PECVD 機(jī)臺(tái)進(jìn)行淀積條件分片后測(cè)試應(yīng)力。該過程主要是在溫度和淀積時(shí)間固定的條件下探索SiN膜厚、射頻功率對(duì)SiN 膜應(yīng)力的影響?；赑ECVD 設(shè)備的限制，制備的SiN 硬件的射頻功率范圍在350～500 W，具體分片條件見表1。

表1 低頻PECVD 生成的SiN 膜應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

厚度測(cè)試是利用膜厚儀（美國(guó)THERMA-WAVE公司生產(chǎn)，型號(hào)為OP2600，其測(cè)試誤差在±0.1 nm）選取直徑為125 mm 的5 寸圓片上的上、中、下、左、右5個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值作為參考；應(yīng)力測(cè)試選取淀積SiN薄膜的5 寸圓片，采用應(yīng)力儀（美國(guó)KLA Tencor公司生產(chǎn)，型號(hào)為FLX5400，其測(cè)試誤差在±0.05×10-9dyn）測(cè)試整片圓片上的應(yīng)力值大小，應(yīng)力測(cè)試是針對(duì)整片圓片。

熱應(yīng)力與SiN 和Si 的熱膨脹系數(shù)有關(guān)，通常條件下溫度越高，應(yīng)力越大。由于LPCVD 生成的SiN 膜熱應(yīng)力未達(dá)到預(yù)期要求，因此本文使用低頻PECVD 生成的SiN 膜進(jìn)行熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。使用低頻PECVD 生成的SiN 膜由于受低頻PECVD 機(jī)臺(tái)限制，淀積溫度無法超過500 ℃，且低頻PECVD 的SiN 膜壓應(yīng)力隨著淀積溫度的升高會(huì)先增大后減小[7-8]，因此本文利用氧化爐（型號(hào)THERMCO 4500）進(jìn)行高溫退火工藝，最終進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，具體條件見表2。

表2 低頻PECVD 生成的SiN 膜熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

射頻功率對(duì)SiN 膜應(yīng)力的影響如圖3 所示，當(dāng)射頻功率在350～425 W 之間變化時(shí)，其應(yīng)力波動(dòng)趨勢(shì)不明顯，且表現(xiàn)為壓應(yīng)力模式，應(yīng)力絕對(duì)值均小于0.1 GPa，當(dāng)射頻功率大于425 W 后，其應(yīng)力變化很大，可達(dá)到2 GPa 以上。射頻功率為400 W 時(shí)，SiN 膜厚對(duì)應(yīng)力的影響如圖4 所示，從圖中可以看出SiN 的厚度對(duì)應(yīng)力的影響微乎其微，因?yàn)楫?dāng)射頻功率一定時(shí)，PECVD 淀積的SiN 速率及膜層內(nèi)缺陷密度不會(huì)變化，所以內(nèi)應(yīng)力變化也較小[9]。

圖3 射頻功率對(duì)應(yīng)力大小的影響

圖4 SiN 膜厚對(duì)應(yīng)力大小的影響

氧化爐850 ℃退火30 min 后SiN 膜應(yīng)力的變化趨勢(shì)如圖5 所示，當(dāng)射頻功率為470 W 時(shí)，應(yīng)力由退火前的負(fù)應(yīng)力轉(zhuǎn)變正應(yīng)力，且應(yīng)力值接近1.6 GPa，主要是因?yàn)镾iN 膜層本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中除了有Si-N 鍵，還有大量的游離態(tài)H，而這些H 主要以N-H 鍵和Si-H 鍵的形式存在[10]，經(jīng)過高溫退火后，SiN 膜層內(nèi)的部分H 會(huì)形成一種懸掛鍵和微孔而溢出，而這些懸掛鍵之間相互交聯(lián)，微孔會(huì)產(chǎn)生一定收縮，最終會(huì)使薄膜的體積收縮變小從而形成一種張應(yīng)力結(jié)構(gòu)[11]。

圖5 氧化爐850 ℃退火30 min 后SiN 膜應(yīng)力變化趨勢(shì)

圖6為低頻PECVD 生成的SiN 膜在不同溫度退火下的應(yīng)力變化圖，通過低頻PECVD 生成的SiN 膜，在加大射頻功率后壓應(yīng)力可以直接達(dá)到2 GPa，不斷提高爐管的高溫退火溫度到1050 ℃，退火時(shí)間由30 min 延長(zhǎng)至120 min，其應(yīng)力變化不明顯。這主要是因?yàn)殡S著退火溫度和時(shí)間的加長(zhǎng)，H 的溢出量會(huì)有變化，在經(jīng)歷一定時(shí)間的退火后，SiN 薄膜內(nèi)的應(yīng)力會(huì)達(dá)到飽和點(diǎn)。因此，通過實(shí)驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，在射頻功率為470 W 時(shí)，PECVD 工藝淀積的薄膜應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，當(dāng)該膜層在850 ℃以上退火后，壓應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力，且在1050 ℃退火90 min 后，應(yīng)力達(dá)到最大值，約2.1 GPa。

圖6 低頻PECVD 生成的SiN 膜在不同溫度退火下的應(yīng)力轉(zhuǎn)變

4 總結(jié)

本文利用低頻PECVD 生成的SiN 膜和高溫退火實(shí)現(xiàn)了壓應(yīng)力與張應(yīng)力兩種可變應(yīng)力，并且研究了應(yīng)力隨退火溫度及時(shí)間的變化趨勢(shì)，通過控制溫度，最終可以實(shí)現(xiàn)2 GPa 的高應(yīng)力。這種高應(yīng)力SiN 膜的制備方法有3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）工藝簡(jiǎn)單，僅利用單種PECVD設(shè)備和退火爐即可實(shí)現(xiàn)兩種應(yīng)力轉(zhuǎn)變，成本較低；（2）應(yīng)力的可選擇范圍較大；（3）可以將該種方法直接嵌入到整個(gè)IC 工藝制造流程中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)變。當(dāng)然，這種SiN 膜應(yīng)變方法在實(shí)際IC 制造過程中電路性能的提高程度，還需在后續(xù)的實(shí)際制造過程中不斷探索。