用于应变硅技术的高应力SiN薄膜的开发
摘要 在高级CMOS器件中,高应力氮化硅（SiN）薄膜是增强应变的主要方法。如果要改善PMOS或NMOS器件性能,则分别需要采用具有压应力和张应力的氮化硅薄膜。我们对相关机理进行了回顾,根据不同的淀积和工艺处理条件的组合,从而得到了张应力大于1.6 GPa和压应力大于2.9GPa的氮化硅薄膜覆盖。
张应力氮化硅薄膜
氮化硅薄膜中的本征应力主要是由于三角形平面内以氮为中心的网络结构单元趋向于形成具有低能量价键的以硅为中心的四面体网络结构的固有本性造成的。由于这两类原子化合价的不同,就会存在应变。
现提出以氨气—硅烷为反应混合物的PECVD法SiNxHy 张应力产生机理的模型,主要包括乙硅烷和氨基硅烷基团的气相形成、这些等离子体产物的表面反应以及随后的通过氢气和氨气的剔除反应而在次表面进行的多余氢的释放等过程。在这一致密工艺中形成的被拉伸的Si-N键会被周围的网状结构所限制,从而被有效地冻结为张应力状态。与相应的低压化学汽相淀积（LPCVD）相比较,由于PECVD工艺中衬底的温度较低,则剔除反应也较少。从而导致薄膜中含氢的组合较多,增强了网状结构的灵活性,降低了应力。
PECVD工艺中较高的表面反应速率,存在淹没较慢的次表面浓缩反应的趋势,使得收缩程度降低,形成一种多孔的微结构。在LPCVD工艺中,较高的衬底温度和较慢的淀积速率允许在薄膜生长过程中进行显著的收缩。在这些较高温度下剔除反应较为强烈,在薄膜生长过程中氢很容易去除,从而导致较高的张应力。利用这一方法得到较大应力的限制在于所需的温度较高,典型值通常都会高于600℃,尽管和90纳米结构中使用的CoSi具有良好的兼容性,但却不能用于65纳米和45纳米工艺中使用的NiSi结构。尽管已有诸多的研究人员在探索可替代的反应前驱体,以使低温LPCVD成为可能,在制备高应力氮化硅薄膜方面,现在已有很多的值得注意的替代方法了。
由于PECVD淀积具有较高的氮化硅薄膜产能,且在热预算方面和CoSi和NiSi接触层具有良好的兼容性,我们依然致力于PECVD的研究。通过对标准工艺条件进行详尽的综合考察—气体流量、压强、射频功率条件和温度—能够得到最大张应力高达1.0GPa的薄膜。然而,利用LPCVD淀积能够在较高温度下得到大于2GPa的应力,所以需要提出一种低温替代工艺以获得相当的应力水平。开发的这一技术由淀积和后处理两步工艺组成。在初始的淀积过程中形成了氢含量较高的张应力薄膜。随后对这一薄膜进行处理,以使成键较弱的氢和间隙氢重新结合成氢气的形式并扩散出薄膜,在结构
