氢气在金属合金制程中对MOSFET界面态的影响

1、氢气在金属合金制程中对MOSFET界面态的影响富今世界，微电子技术飞速发展，随着集成电路集成度的不断增 加，金属-氧化物半导体器件尺寸不断等比缩小，器件的栅氧化层也 变得越来越薄，为了确保金属-氧化物半导体器件的良好特性，对栅 氧化层质量的要求也会更高。随之而来的制造工艺也日渐复杂，在 众多的工艺制程中不可避免的会产生界面态（界面陷阱）电荷。制造 工艺中界面态的主要来源是氧化层生长工艺，离子注入，等离子体沉 积等工艺。界面态位于Si/SiO2界面上；其能量状态分布于禁带内；可以带 有电荷；是少数载流子的产生中心和复合中心；可较快地同Si的导带 或价带交换电子和空穴（故界面态也曾被称为“快态”）

2、。界面态的主要 来源为过剩的Si（三价硅）；断裂的Si-H价键；过剩的氧和杂质、缺 陷等。器件的栅氧化层界面态直接影响MOS晶体管的阈值电压、降 低MOSFET表面载流子有效迁移率和跨导，从而影响金属-氧化物半 导体场效应晶体管超大规模集成电路的成品率和可靠性。对界面态的研究主要通过研究其电学性能来进行，利用界面陷 阱电荷能与硅体内交换电量的性质测量界面陷阱电荷，是各种界面态测量方法的基础。改变MOS电容 两端电压的大小和极性，以及硅的表面势，界面态便随着表面势的变 化而充、放电、监测充、放电荷或电流，或者监测由于界面态充、放 电引起的电导或电容的变化，可测量界面陷阱电荷和界面态密度随能 量的

3、分布，测量界面态电荷和界面态密度随能量的分布。最早用于检 测界面状况的方法为传统C-V技术，C-V曲线的解释相当复杂，需 要建立模型然后利用计算机进行模拟，将模拟结果与测量结果相对照， 估算界面态电荷。而电荷泵法是目前公认的使用最为广泛的测试表面 态电学特性的方法。在栅极上施加频率为F的周期性三角波信号V， 当器件进入反型时，其反型层内少数载流子由源和漏提供，部分少数 载流子可能会被界面态陷住。转换栅压使器件处于积累状态时，反型 层中载流子将流向源漏而快速消失。界面态上陷住的少数载流子将与 来自衬底的多数载流子复合，这种多数载流子的流动就构成了电荷泵 电流（Icp）。氢钝化技术是利用原子氢来终

4、结表面悬挂键的一种技术。氢钝化 处理不仅可以饱和半导体表面的悬挂键4-5，还可以使半导体获得干 净、平整、抗氧化能力强的表面6-8。本文利用电荷泵（Charge Pumping，CP）法深入研究了在合金化制程中通入氢气对界面态的 影响。首先研究通入氢气的时间对界面态的影响，然后又对通入氢气 的流量进行实验，得到最佳的工艺组合条件，为制程的提升改善提供 借鉴。1实验所有实验采用0.35m硅栅CMOS标准工艺制造的n-MOSFETs （沟道长度L分别为0.35Nm/0.8m， 沟道宽度 W 为10m）。MOSFETs的栅氧化层在850C高温下干法生长。在工艺流程末端的 金属合金化制程中用纯氢气替代

5、传统的氮氢混合气体（Forming Gas）。 实验着重研究氢气的流量（2slm，3slm，12slm）和时间（10mins， 20mins，30mins）对表面态的作用，并用常规的氮氢混合气体（15% H2/ 85% N2）作为对照组。为确保实验结果的准确性，同一金属合金 化工艺条件下抽取4个样本，用电荷泵法精确测量电荷泵电流（Icp） 来反映氢气对表面态的改善作用。2实验结果与讨论2.1氢气流量对电荷泵电流（Icp）的影响图1给出了 10/0.35m NMOS经过不同氢气流量的合金化制程 后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为400C，时间为10分钟。图1 10/0.35m NMOS管在不

6、同氢气流量下Icp的变化从图1中可以看出，氢气对于器件界面态又明显的改善作用。随 着氢气流量的增大，电荷泵电流会减小，氢气流量越大，电荷泵电流 就越小，当氢气流量达到12slm时，电荷泵电流Icp的中值降到2.24X10-10Amp，仅为混合气体制程时的40%。由此可见，大流量纯 氢气可使界面陷阱部分消失，可能的原因是H可以修复由于离子注 入，等离子制程等工艺造成的Si/SiO2界面部分的Si-悬挂键，使其 重新键合为Si-H价键，改善界面态。2.2图2给出了 10/0.35m NMOS在3slm纯氢气氛围下，经过 不同时间的合金化制程后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为 400C。从图2中

7、可以看出，随着合金化制程时间的加长，电荷泵电流会 逐渐减小，时间越长，电荷泵电流就越小，但是其作用小于氢气流量 对于界面陷阱电荷的修复作用，而且随着时间的加长，样本之间的差 异增大，收敛性变差。图2 10/0.35m NMOS管在不同时间 相同氢气流量下Icp的变 化2.3图3给出了 10/0.叩m NMOS在3slm纯氢气氛围下，经过不 同时间的合金化制程后，电荷泵电流的变化情况，合金化温度为 400C。图3 10/0.叩m NMOS管在不同时间相同氢气流量下Icp的变化从图3中可以看出，随着合金化制程时间的加长，电荷泵电流会 逐渐减小，时间越长，电荷泵电流就越小，相较于10/0.35m NMOS， 合金化制程的时间对10/0.叩m NMOS的作用较为显著，当时间增加 到30mins，电荷泵电流Icp的中值可以下降到1.79X10-10Amp。3结论本文给出了在金属合金化过程中通入不