超大規(guī)模集成電路制造工藝中對消除1-f噪聲影響的研究.pdf

1、隨著超大規(guī)模集成電路先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展,集成電路器件的的幾何尺寸越來越小。而為了提高柵介質(zhì)的介電系數(shù),CMOS的心臟——柵氧化層的厚度也越來越薄。當(dāng)集成電路技術(shù)進(jìn)入90納米時代以來,傳統(tǒng)單純降低柵氧化層厚度的方法遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@時候柵氧化層的厚度已經(jīng)很薄(＜20A),柵極漏電流中的隧道穿透機(jī)制已經(jīng)起到主導(dǎo)作用。隨著柵氧化層厚度的進(jìn)一步降低,柵極漏電流也會以指數(shù)形式增長。為了解決這些問題,柵氧化層的新生長技術(shù)成為目前集成電路業(yè)界的

2、新的研究方向。提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)的方法大致有兩大類:一類是采用全新的高介電系數(shù)的材料作為柵介質(zhì),如氮氧化鉿硅(HfSiON)等。但采用全新材料涉及到柵極材料的選擇,晶格常數(shù)的匹配及曝光蝕刻等一系列工藝集成問題,故技術(shù)開發(fā)周期相對較長,不能立即滿足90納米技術(shù)的迫切需求。另一大類則仍保持柵氧化層作為柵介質(zhì),通過柵氧化層膜里摻入氮使之成為致密的氮氧化硅來提高柵介質(zhì)的介電系數(shù)。但是摻氮柵氧化層中的氮會又會對CMOS器件1/f噪聲產(chǎn)生不利的影

3、響。這是因?yàn)榈跂叛趸瘜?硅界面的引入釋放了扭曲的硅-氧化學(xué)鍵,降低了界面應(yīng)力,改變了界面附近的硅襯底的晶格結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了載流子與由晶格結(jié)構(gòu)決定的聲子群的散射,同時降低了載流子特別是空穴進(jìn)入柵氧化層的勢壘。所以半導(dǎo)體業(yè)界認(rèn)為這是摻氮柵氧化層CMOS器件1/f噪聲特性退化的主要原因。本文通過理論分析集成電路柵氧化層的性質(zhì)與界面特性以及CMOS器件1/f噪聲的產(chǎn)生原因。得到主要結(jié)論:解決噪聲的主要方法就是改變氮的分布。這是因?yàn)樗杏绊慍MOS

4、器件1/f噪聲的因素都分布在柵氧化層-硅界面附近。只要讓氮摻雜入柵氧化層,但是都遠(yuǎn)離柵氧化層-硅界面,就能讓氮對柵氧化層-硅界面的帶電中心和晶格界面粗糙度產(chǎn)生很少的影響。從而不去觸發(fā)增大1/f噪聲的“開關(guān)”。這樣就能防止摻氮柵氧化層CMOS器件1/f噪聲特性退化。同時氮仍然分布在柵氧化層內(nèi),改善了柵氧化層的特性。本文研究了等離子摻氮柵氧化層這一先進(jìn)工藝,并通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),來證明等離子摻氮工藝可以使得氮遠(yuǎn)離柵氧化層-硅界面,從而獲得極好的C