氫氣在金屬合金制程中對(duì)MOSFET界面態(tài)的影響

1、氫氣在金屬合金制程中對(duì)MOSFET界面態(tài)的影響富今世界，微電子技術(shù)飛速發(fā)展，隨著集成電路集成度的不斷增 加，金屬-氧化物半導(dǎo)體器件尺寸不斷等比縮小，器件的柵氧化層也 變得越來越薄，為了確保金屬-氧化物半導(dǎo)體器件的良好特性，對(duì)柵 氧化層質(zhì)量的要求也會(huì)更高。隨之而來的制造工藝也日漸復(fù)雜，在 眾多的工藝制程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生界面態(tài)（界面陷阱）電荷。制造 工藝中界面態(tài)的主要來源是氧化層生長(zhǎng)工藝，離子注入，等離子體沉 積等工藝。界面態(tài)位于Si/SiO2界面上；其能量狀態(tài)分布于禁帶內(nèi)；可以帶 有電荷；是少數(shù)載流子的產(chǎn)生中心和復(fù)合中心；可較快地同Si的導(dǎo)帶 或價(jià)帶交換電子和空穴（故界面態(tài)也曾被稱為“快態(tài)”）

2、。界面態(tài)的主要 來源為過剩的Si（三價(jià)硅）；斷裂的Si-H價(jià)鍵；過剩的氧和雜質(zhì)、缺 陷等。器件的柵氧化層界面態(tài)直接影響MOS晶體管的閾值電壓、降 低MOSFET表面載流子有效遷移率和跨導(dǎo)，從而影響金屬-氧化物半 導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管超大規(guī)模集成電路的成品率和可靠性。對(duì)界面態(tài)的研究主要通過研究其電學(xué)性能來進(jìn)行，利用界面陷 阱電荷能與硅體內(nèi)交換電量的性質(zhì)測(cè)量界面陷阱電荷，是各種界面態(tài)測(cè)量方法的基礎(chǔ)。改變MOS電容 兩端電壓的大小和極性，以及硅的表面勢(shì)，界面態(tài)便隨著表面勢(shì)的變 化而充、放電、監(jiān)測(cè)充、放電荷或電流，或者監(jiān)測(cè)由于界面態(tài)充、放 電引起的電導(dǎo)或電容的變化，可測(cè)量界面陷阱電荷和界面態(tài)密度隨能 量的

3、分布，測(cè)量界面態(tài)電荷和界面態(tài)密度隨能量的分布。最早用于檢 測(cè)界面狀況的方法為傳統(tǒng)C-V技術(shù)，C-V曲線的解釋相當(dāng)復(fù)雜，需 要建立模型然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相對(duì)照， 估算界面態(tài)電荷。而電荷泵法是目前公認(rèn)的使用最為廣泛的測(cè)試表面 態(tài)電學(xué)特性的方法。在柵極上施加頻率為F的周期性三角波信號(hào)V， 當(dāng)器件進(jìn)入反型時(shí)，其反型層內(nèi)少數(shù)載流子由源和漏提供，部分少數(shù) 載流子可能會(huì)被界面態(tài)陷住。轉(zhuǎn)換柵壓使器件處于積累狀態(tài)時(shí)，反型 層中載流子將流向源漏而快速消失。界面態(tài)上陷住的少數(shù)載流子將與 來自襯底的多數(shù)載流子復(fù)合，這種多數(shù)載流子的流動(dòng)就構(gòu)成了電荷泵 電流（Icp）。氫鈍化技術(shù)是利用原子氫來終

4、結(jié)表面懸掛鍵的一種技術(shù)。氫鈍化 處理不僅可以飽和半導(dǎo)體表面的懸掛鍵4-5，還可以使半導(dǎo)體獲得干 凈、平整、抗氧化能力強(qiáng)的表面6-8。本文利用電荷泵（Charge Pumping，CP）法深入研究了在合金化制程中通入氫氣對(duì)界面態(tài)的 影響。首先研究通入氫氣的時(shí)間對(duì)界面態(tài)的影響，然后又對(duì)通入氫氣 的流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到最佳的工藝組合條件，為制程的提升改善提供 借鑒。1實(shí)驗(yàn)所有實(shí)驗(yàn)采用0.35m硅柵CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的n-MOSFETs （溝道長(zhǎng)度L分別為0.35Nm/0.8m， 溝道寬度 W 為10m）。MOSFETs的柵氧化層在850C高溫下干法生長(zhǎng)。在工藝流程末端的 金屬合金化制程中用純氫氣替代

5、傳統(tǒng)的氮?dú)浠旌蠚怏w（Forming Gas）。 實(shí)驗(yàn)著重研究氫氣的流量（2slm，3slm，12slm）和時(shí)間（10mins， 20mins，30mins）對(duì)表面態(tài)的作用，并用常規(guī)的氮?dú)浠旌蠚怏w（15% H2/ 85% N2）作為對(duì)照組。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同一金屬合金 化工藝條件下抽取4個(gè)樣本，用電荷泵法精確測(cè)量電荷泵電流（Icp） 來反映氫氣對(duì)表面態(tài)的改善作用。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1氫氣流量對(duì)電荷泵電流（Icp）的影響圖1給出了 10/0.35m NMOS經(jīng)過不同氫氣流量的合金化制程 后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為400C，時(shí)間為10分鐘。圖1 10/0.35m NMOS管在不

6、同氫氣流量下Icp的變化從圖1中可以看出，氫氣對(duì)于器件界面態(tài)又明顯的改善作用。隨 著氫氣流量的增大，電荷泵電流會(huì)減小，氫氣流量越大，電荷泵電流 就越小，當(dāng)氫氣流量達(dá)到12slm時(shí)，電荷泵電流Icp的中值降到2.24X10-10Amp，僅為混合氣體制程時(shí)的40%。由此可見，大流量純 氫氣可使界面陷阱部分消失，可能的原因是H可以修復(fù)由于離子注 入，等離子制程等工藝造成的Si/SiO2界面部分的Si-懸掛鍵，使其 重新鍵合為Si-H價(jià)鍵，改善界面態(tài)。2.2圖2給出了 10/0.35m NMOS在3slm純氫氣氛圍下，經(jīng)過 不同時(shí)間的合金化制程后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為 400C。從圖2中

7、可以看出，隨著合金化制程時(shí)間的加長(zhǎng)，電荷泵電流會(huì) 逐漸減小，時(shí)間越長(zhǎng)，電荷泵電流就越小，但是其作用小于氫氣流量 對(duì)于界面陷阱電荷的修復(fù)作用，而且隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，樣本之間的差 異增大，收斂性變差。圖2 10/0.35m NMOS管在不同時(shí)間 相同氫氣流量下Icp的變 化2.3圖3給出了 10/0.叩m NMOS在3slm純氫氣氛圍下，經(jīng)過不 同時(shí)間的合金化制程后，電荷泵電流的變化情況，合金化溫度為 400C。圖3 10/0.叩m NMOS管在不同時(shí)間相同氫氣流量下Icp的變化從圖3中可以看出，隨著合金化制程時(shí)間的加長(zhǎng)，電荷泵電流會(huì) 逐漸減小，時(shí)間越長(zhǎng)，電荷泵電流就越小，相較于10/0.35m NMOS， 合金化制程的時(shí)間對(duì)10/0.叩m NMOS的作用較為顯著，當(dāng)時(shí)間增加 到30mins，電荷泵電流Icp的中值可以下降到1.79X10-10Amp。3結(jié)論本文給出了在金屬合金化過程中通入不