熱氮化薄二氧化矽膜在超大型互補式金氧半場效電晶體之閘及新場絕緣上的應用─新技術及其評估

Abstract

目前一般的金氧半場效電晶體積體電路，均採用氧化矽膜作為閘極絕緣，並採用典型 的局部氧化場絕緣結構。在超大型積體電路金氧半元件尺寸日益縮小的要求下，氧化 矽閘極絕緣變薄，將導致可靠性降低；典型局部氧化場絕緣亦因有長鳥喙，致無法製 造窄通道元件，該兩項技術顯然已不敷需要。 為了解決上述兩項困難，我們嘗試以氨氣將薄氧化矽膜在高溫下熱氮化，改變氧化矽 膜組成，俾改善其電性，延展活期，以替代純氧化矽膜作閘極絕緣之用。並進一步推 廣熱氮化技術，將局部氧化技術薄氧化矽墊層予以氮化，以期縮短場氧化層之鳥喙， 達成縮小金氧半電晶體尺寸之目的。 本實驗中，我們首先在矽閘互補式金氧半製程中，插入熱氮化技術，在N 型基層及P 型井區上製造出金氧半電容器，供作熱氮化薄氧化矽之電性及可靠性檢驗之用，薄氧 化矽膜厚度為七十埃至二百五十埃，熱氮化溫度範圍為攝氏九百至一千一百五十度。 經高頻及準靜容壓測試，發現熱氮化後介面陷阱密度僅稍增加，但在介面有相當程度 的固定正電荷建立及消解的現象。將容壓測試配合固定電流加壓法，廣泛地檢驗了各 種熱氮化氧化矽膜，我們發現熱氮化製程條件對製成之熱氮化氧化矽薄膜的可靠性有 密切的影響。薄膜電性與熱氮化溫度、時間、純氧化矽厚度，基層雜質，加壓極向等 均有關係。熱氮化可抑制介面陷阱之產生，此點可增長元件壽命；熱氮化亦會增加電 子陷阱，並有固定正電荷建立及消解現象，此兩點則不利於金氧半元件之製造。我們 提出一套定性模型，以闡釋上述現象並統合既有的片面模型，其中特別重視H，NHx， OH基在薄膜特性上所扮演的角色。 熱氮化利弊參半，在製程上需妥為協調，方能取利而去弊，我們證明在攝氏九百度下 ，熱氮化適當時間，可製成電性特佳，活期甚長，遠優於純氧化矽之薄膜，可供互補 式金氧半場效電晶體之闡極絕緣及EEPROM穿隧薄膜之用。 我們更進而採用熱氮化氧化矽膜，作為薄墊層發展出NOLOCOS 技術，成地製造出無缺 陷，幾無鳥喙場佯化結構。經由電子顯微鏡及苪特（Wright-etch ）侵蝕法分析，有 統地探討鳥喙及缺陷之產生與製程條件間的關係，從而開發出製程新領域，能製造無 缺陷，僅零點一微米鳥喙，厚八千埃之場絕緣。並與雙井互補式金氧半場效電晶體製 程相匹配，N 井接用砷離子植入，利用間久退火法消彌場氧化造成的內局部內壓，有 效地避免缺陷產生，並用高能雙電荷硼離子植入，製造例縮性淺P 井。成功地製造出 互補式金氧半場效電晶體，由電性證明，窄通道效應獲得巨幅改善，而均勻性、漏電 流、絕緣能力均足供超大型積體電路之用。 最後，我們延伸NOLOCOS 技術，提出一種高可靠度的氮化矽保護罩新結構，供自準備 植入及二度場氧化之用，成功地開發出無缺陷，無幾鳥喙，完全平面化之場絕緣結構 （FUROX ），利用NMOS製程評估，發現對場絕緣邊上的光阻窄化現象，及窄通道效應 ，具有顯著的改善效果。