导航: 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。
当设计师利用较小的器件尺寸来寻求改善晶体管性能时，通常会面临诸多的挑战，从而不得不另辟蹊径以提高开关速度。其中一个较为重要的创新就是利用应变硅来提高NMOS和PMOS器件中电子和空穴的迁移率。尽管已在实际生产中成功地得以实现，从生产制造角度看，应变硅仍是复杂且昂贵的。这就促使研究人员去寻找某种替代技术以能在硅器件中提供等效的应变。一种很有希望的替代方法就是在栅结构上方淀积高应力—对NMOS而言为张应力，对PMOS而言为压应力—氮化硅薄膜。现在已有多种技术能够进行适当的高应力氮化硅薄膜的淀积—炉管化学汽相淀积（CVD）、原子层淀积（ALD）和等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）等。PECVD是一种具有高生产力的成熟工艺技术，因为该方法具有较强的适应性和延续性，能够在90纳米和65纳米生产工艺流程中快速地得以实现。
本文对生成高应力氮化硅薄膜的机理以及相关工艺进行了描述。在确保和NiSi相一致的处理温度的基础上，我们将紫外线辅助热处理工艺引入了高张应力氮化硅薄膜的制备中，还对高压应力氮化硅膜的制备方法进行了说明。
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，在结构中留下孔隙和悬挂键。如果这一过程是在适当的高温下进行的话，则薄膜随后即会重新排列、收缩并致密，从而形成较高的应力。我们已经开发了等离子体和紫外线处理工艺，利用这两种技术得到的应力分别可达1.2和1.5-1.7GPa。利用紫外线处理的方法可以得到更高的应力，在此对其进行较为详细的讨论。
紫外线辅助热处理(UVTP)
为了对UVTP处理的效果进行表征，利用Novellus Vector（300毫米）进行了氮化硅的淀积，并在诺发300毫米紫外线辅助热处理（UVTP）设备中对薄膜进行紫外线曝光处理。随着薄膜中氢含量的降低，应力逐渐增大，如图1所示。
利用紫外线的光子能量可以帮助打开薄膜中的SiH键和NH键。相邻断裂键中的氢原子相结合形成分子形式的氢气，氢气从薄膜中扩散出来，从而在薄膜中形成悬挂键和微孔。悬挂键相互交联，使得这些微孔收缩以得到最小的表面能。衬底的约束阻止。
为了对UV处理导致的薄膜中的反应进行更为详细的说明，图2对UV曝光工艺中SiH和NH浓度的降低进行了描述，相比SiH而言，有更多的NH被去除了。该图还给出了Si-H键傅立叶变换红外光谱(FTIR)峰值位置的迁移，在UV曝光的前几分钟时间里，峰值从2155cm-1变为了2172 cm-1。这些峰值位置对应于不同SiH组合的振动频率（分别为HSiN2Si和H2SiN2），表明了Si-H成键环境的变化。
退火和UVTP的比较
为了了解UVTP和热退火的差异，对同一薄膜进行不同时间、不同温度(400 -550℃)的退火处理。这些实验得到的应力和氢含量的变化分别如图3和图4所示。由图3可知，在相同温度(400℃)下，利用UVTP可以得到比热退火高得多的应力。实际上，在前10到15分钟内，由UVTP产生的应力与550℃下的退火相类似。这一数据表明， UVTP可以在和NiSi相兼容的足够低的温度下得到较高的应力。
尽管400℃下的UV处理对氢的去除效果要好于550℃的退火，但其产生的应力却在达到峰值后随着时间的延长而逐渐渐小了，而退火得到的应力则仍是逐渐增加的。这表明肯定存在某种弛豫机制，可能是由图5所示UV工艺中观察到的极高的收缩（比500℃退火高出一倍）导致的。与收缩增强以及应力弛豫相关的因素尚不太清楚，需要对导致这一现象的可能的原因进行深入的研究和探讨。
由图6可以看出，对退火处理而言，产生的应力是与去除的氢的总量成正比的。对UV处理而言，在前10分钟内存在类似的趋势，在此以后就偏离线性了，表明了应力的衰退。
氢的扩散
如图3和图4所示，大部分的氢的去除和应力的增长都发生在UV工艺的前几分钟里。对退火和UV处理而言，都不能以固定速率常数将氢含量的降低拟合为简单的一阶或二阶动力学方程。扩散具有显著的时间离散特征，和Weeber等原来观察到的一样，扩散率会随着时间而逐渐减小。Beyer等已经建立了与时间相关的氢的扩散系数和氢浓度以及薄膜微结构间的相互关系。如果温度固定，氢的扩散系数会随着浓度的增大而增加。同时，致密的薄膜会导致扩散系数的降低。无论是在退火还是在UV工艺中，薄膜中氢的浓度都会随着时间而降低，薄膜的收缩（图5）可以视作微结构变化的指示。这两个因素均会导致氢扩散系数随时间而降低。
如图7所示，提高UV处理温度可以增大应力。其可能的原因是在高温条件下，伴随着高扩散率的较高的氢浓度（由于键的断裂加剧）。
组分的影响
根据图8可以知道，如果薄膜中具有同等浓度的SiH键和NH键，则氢的去除量可达最大，相应地可以得到最大幅度的应力变化。在这种薄膜中，氢键断裂后可提供足够多的硅和氮的悬挂键以驱使SiN网状结构的形成。如果薄膜中SiH键或NH键的浓度足够高，去除氢的能力就会受到限制。这类薄膜中，去除掉氢后由于没有足够多的所需反应物，所以不会形成Si-N键。由于这种薄膜中存在过量的硅或氮，所以只可能形成Si-Si键或N-N键。从能量角度考虑，Si-H和N-H键的形成要优先于Si-Si或N-N键。因此，悬挂键会重新夺回自由氢，从而限制了薄膜中氢的去除总量。
压应力氮化硅薄膜
对氮化硅而言，已有一种方法可以对应力进行控制，这种方法在PECVD反应器中除了施加高频功率源外还要再叠加一个低频功率源。利用硅烷、氨气和氮气淀积生成的氮化硅薄膜具有本征的张应力。低频功率源的采用引入高能粒子轰击，可以使薄膜变得更具压缩性。高能粒子可以导致原子/离子的结合或重新排布，致使薄膜结构发生膨胀/变形，从而在薄膜中产生压应力。原子/离子的结合和重新排布也会导致薄膜的致密。
为了改善离子轰击，以能够淀积得到应力为-1.2GPa、适于实际生产的氮化硅薄膜，在400oC温度下对工艺条件进行了优化，主要包括较高的LF/HF比值、较低的压强以及稀释的硅烷浓度等。运用淀积和后处理相互交替的周期性多层薄膜专利技术，以充分利用具有等离子体能量的离子轰击来辅助薄膜结构的致密。
采用上述方法得到了高达-2.2GPa的应力。傅立叶变换红外光谱分析（FTIR）（图9）表明，随着氢气浓度的增大，薄膜中的压应力会越来越大。根据现有解释机理，氢气与随后的重新排布相结合，导致了薄膜的致密和其中应力的产生。
为了得到具有更高压应力的薄膜，可以考虑采用具有较高弹性模量的材料，如碳化硅SiC、碳氮化硅SiNC、氮化硼BN等。利用甲基硅烷、氨气、氮气以及其他的稀释气体和惰性气体可以淀积得到具有高达-3.0GPa应力的薄膜。根据RBS/HFS 和X光电子能谱（XPS）分析，这些薄膜除了含有硅、氮和氢外，还含有极少量的碳。碳的存在可能打乱了与硅、氮和氢原子相关的键的长度和角度，从而形成了具有较大应变的网状结构，进而具有较高的压应力。碳和氢的结合也导致了薄膜结构的致密，表格简单地列出了应力随薄膜密度的变化情况（见表）。
利用甲基硅烷前驱机体产生应力的机理还尚未完全搞清楚，上面的模型仅是基于截至目前为止工作基础上的一个初步假设。在这一方向上还需要作进一步的工作，以对上述机理进行表征并使之逐渐清晰，根据上述机理，我们可以找到一种适于将来工业生产应用的淀积薄膜应力小于-3GPa的工艺方法。
结论
本文对具有压应力和张应力的PECVD法氮化硅薄膜应力的基本产生机理进行了描述。提出了两步UV处理法进行张应力氮化硅的制备，使得与45纳米NiSix热预算需求相兼容的NMOS应变硅加工工艺成为了可能。研究表明，氮化硅产生的张应力会随着去除掉的氢的总量的增加而线性增大，直至过量的薄膜收缩减缓，甚至最终导致向相反方向的变化。通过对热驱动和UV辅助处理工艺对去除掉的氢的总量的比较，处理时间同样为5分钟，在应力的产生方面，400℃温度下UV光子的吸收具有和550℃温度下的热退火相类似的效果。由于这些曲线不能拟合为简单的一阶或二阶动力学模型，这表明UVTP工艺中氢的去除速率不仅仅是Si-H键或N-H键浓度的函数。这也就意味着，在致密处理过程中薄膜结构的变化对于最终能得到的应力水平扮演着重要角色。在紫外线处理后，通过平衡已生成薄膜中Si-H和N-H的成键，导致了拉伸Si-N键的形成的最大化，氢键断裂后提供了足够多的硅和氮的基团，从而驱动了氮化硅网状结构的形成。
压应力是导致薄膜致密化的挤压处理的结果。致密化薄膜中的要素原子必将承受来自相邻原子的排斥力，从而导致应变网状结构体积的膨胀。这一施加于刚性Si-N键的应变通过以下两种途径达到最大：首先是按照接近1.33的比例将氮和硅结合到薄膜中;其次是利用成键的氢填充了间隙位置。研究发现，向网状结构中掺入少量的碳可以显著提高压应力。这很可能是由于C-N和C-H键的长度较短，从而使得相邻近的氮化硅网状结构元素更加接近，还有一个可能原因是，随着薄膜中碳化物的特征逐渐增强，材料的弹性模量逐渐增大。以后的工作将以进一步研究这些工作机理为主要目标，并不断开发新的高级能量源和新的化学系统。