先進元件製程

半 導 體 元 件 在 近 30 年 來 不 斷 的 改 善 製 程 技 術 與 元 件 的 微 縮 ， 其 目 的 在 於 降 低 成 本 、 功 能 的 增 加 以 及 效 能 的 提 升 。 本 論 文 使 用 具 多 項 先 進 製 程 技 術 的 C M O S F E T 元 件 做 量 測 ， 其 中 包 括 絕 緣 層 上 矽 ( S O I ) 、 淺 溝 槽 絕 緣 ( S h a l l o w T r e n c h I s o l a t i o n ， S T I ) 、 金 屬 閘 極 ( M e t a l G a t e ) 、 接 觸 蝕 刻 停 止 層 ( C o n t a c t E t c h S t o p L a y e r ， C E S L ) 等 技 術 。

2 - 1 - 1 絕 緣 層 上 矽 ( S i l i c o n O n I n s u l a t o r ， S O I )

S O I 與 傳 統 的 塊 材 矽 ( B u l k - S i ) 相 比 較 ， 因 為 多 了 一 層 氧 化 層 ， 元 件 之 間 彼 此 間 距 因 為 少 了 N 或 P 井 ( W e l l ) 而 縮 短 、 在 晶 圓 上 所 佔 的 面 積 可 以 大 幅 縮 小 、 具 有 低 電 壓 與 低 消 耗 功 率 、 較 佳 的 絕 緣 度 、 電 導 ( T r a n s - C o n d u c t o r ， G m ) 更 好 、 較 高 的 可 靠 度 ( R e l i a b i l i t y ) 、 抑 制 短 通 道 效 應 ( f o r F D - S O I ) 、 更 陡 斜 的 次 臨 限 斜 率 與 減 少 接 面 寄 生 電 容 等 特 性

【 5 0 ~ 5 1 】 。

S O I 晶 圓 製 作 方 面 ， 目 前 較 常 見 的 有 S I M O X ( s e p a r a t i o n b y i m p l a n t e d o x y g e n ) 、 B E S O I ( b o n d i n g & e t c h b a c k ) 與 U n i b o n d 法 ， 亦 稱 為 s ma r t - c u t 法 三 種 。 我 們 採 用 的 S O I 晶 片 ( W a f e r ) 是 使 用 s m a r t - c u t 方 法 製 出 ， 它 是 由 B E S O I 所 衍 生 出 來 的 方 法 ， 一 樣 需 要 使 用 到 二 片 晶 片 ， 先 在 一 片 頂 端 長 好 二 氧 化 矽 晶 片 利 用 離 子 佈 植 方 法 植 入 氫 離 子 ， 再 與 另 一 片 晶 片 做 結 合 ( B o n d i n g ) ， 然 後 進 行 4 0 0 ~ 6 0 0 度 的 熱 退 火 製 程 ， 先 前 植 入 的 氫 離 子 因 熱 產 生 氣 泡 使 晶 片 自 然 斷 裂，最 後 再 用 化 學 機 械 研 磨 ( C h e m i c a l M e c h a n i c a l

P o l i s h i n g， C M P ) 的 方 式 進 行 表 面 平 整 的 工 作 使 表 面 平 整 即 可 完 成 。 而 斷 開 後 的 矽 晶 片 仍 然 可 以 繼 續 使 用 ， 是 相 當 經 濟 且 品 質 佳 的 方 式 。

2 - 1 - 2 金 屬 閘 極 ( M e t a l - G a t e )

C M O S 製 程 的 一 項 重 要 發 展 為 導 入 了 金 屬 閘 極 的 製 程 。 多 晶 矽 導 電 性 不 如 金 屬 ， 限 制 了 訊 號 傳 遞 的 速 度 。 雖 然 可 以 利 用 摻 雜 的 方 式 改 善 其 導 電 性 ， 但 成 效 仍 然 有 限 。 以 及 多 晶 矽 ( P o l y - S i l i c o n ) 在 偏 壓 下 ， 會 因 為 掺 雜 物 空 乏 使 得 閘 極 的 電 容 值 降 低 ， 或 過 多 的 掺 雜 物 因 擴 散 而 穿 透 過 閘 極 氧 化 層 ( G a t e O x i d e ) ， 造 成 臨 限 電 壓 不 穩 的 情 形 ， 而 使 用 金 屬 矽 化 閘 極 可 以 避 免 此 問 題 。 此 外 ， 金 屬 矽 化 閘 極 還 具 有 理 想 的 遷 移 率 、 較 低 的 閘 極 漏 電 流 、 高 電 導 值 ( T r a n s - C o n d u c t o r ， G m ) 及 可 調 整 臨 限 電 壓 ( T h r e s h o l d V o l t a g e ， V t ) 而 且 又 能 夠 耐 受 高 溫 製 程 。 因 為 金 屬 矽 化 物 的 位 置 是 在 閘 極 表 面 ， 離 通 道 區 較 遠 ， 所 以 也 不 會 對 M O S F E T 的 臨 界 電 壓 造 成 太 大 影 響 等 【 5 2 ~ 5 7 】 。

由 於 互 補 式 金 氧 半 場 效 應 電 晶 體 元 件 在 執 行 最 佳 化 時 ， 需 要 分 別 對 N M O S 與 P M O S 調 整 適 合 的 功 函 數 ， 所 以 必 須 要 用 到 二 種 不 同 功 函 數 的 金 屬 材 料 ， 一 種 使 用 在 N M O S 上 ， 而 另 一 種 則 使 用 在 P M O S 上 。 然 而 這 樣 的 需 求 將 會 造 成 製 程 步 驟 增 加 ， 同 時 也 將 會 提 高 元 件 製 造 的 複 雜 度 及 成 本 ； 在 此 ， 我 們 採 用 了 鎳 ( N i c k e l ) 金 屬 來 匹 配 N、 P M O S 所 需 要 的 功 函 數 ， 並 對 閘 極 進 行 金 屬 化 的 製 程，使 得 閘 極 變 成 N i - F U S I G a t e，同 時 運 用 在 N、P M O S F E T 元 件 上 。 這 種 將 多 晶 矽 完 全 的 合 金 化 的 方 法 稱 之 為 FUSI （ Fully-Silicide polysilicon gate）製程。

2 - 1 - 3 接 觸 蝕 刻 停 止 層 ( C o n t a c t E t c h S t o p L a y e r ， C E S L )

應 變 技 術 的 種 類 大 致 上 可 分 為 二 種 ； 一 種 為 全 面 應 變 矽 ( G l o b a l S t r a i n )， 這 是 運 用 材 料 上 晶 格 常 數 的 差 異 來 產 生 應 變 ， 此 種 應 變 技 術 因 元 件 製 作 在 同 一 基 板 上 ， 不 同 的 通 道 位 置 應 力 大 小 均 相 同 ， 故 也 稱 為 雙 軸 應 變 ( Bi a x i a l - S t r a i n ) ， 因 為 應 變 力 存 在 於 基 板 表 面 平 行 及 垂 直 元 件 通 道 的 二 個 方 向【 1 9、2 1 】。此 外，另 一 種 為 局 部 應 變 矽 ( L o c a l S t r a i n ) 。 近 年 來 許 多 的 研 究 都 是 運 用 氮 化 矽 層 ( S i N ) 所 引 起 的 應 變 矽 通 道 會 影 響 元 件 的 特 性 。 一 般 來 說 ， 沉 積 氮 化 矽 的 方 式 有 二 種 方 式 ， 若 要 使 氮 化 矽 層 具 有 擴 張 應 變 的 效 果 ， 則 使 用 高 溫 熱 成 長 化 學 氣 相 沉 積 ( C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n，C V D ) 氮 化 矽 層 ； 欲 使 氮 化 矽 層 具 有 壓 縮 應 變 的 效 果 ， 則 採 用 電 漿 增 強 式 化 學 氣 相 沉 積 ( P l a s m a E n h a n c e d C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n，P E C V D ) 氮 化 矽 層 來 完 成 。

本 論 文 所 使 用 的 元 件 結 合 了 上 述 幾 種 針 對 C M O S 元 件 做 效 能 提 升 的 新 技 術 ， 首 先 使 用 s m a r t - c u t S O I 製 程 ， 如 圖 2 - 1 - 1 ， 再 對 閘 極 進 行 全 金 屬 矽 化 ， 最 後 沉 積 一 層 氮 化 矽 應 力 層 ， 元 件 製 作 流 程 如 圖 2 - 1 - 2， 元 件 結 構 圖 ， 如 圖 2 - 1 - 3 ； 在 此 我 們 擁 有 九 種 不 同 條 件 的 試 片 ， 三 種 不 同 SOI 厚 度 的 條 件 ， 分 別 為 5 0 0 A、 7 0 0 A、 及 9 0 0 A， 另 外 ， 我 們 針 對 同 一 S O I 厚 度 的 條 件 分 別 再 做 三 種 不 同 應 力 條 件 的 試 片 ， 分 別 為 傳 統 的 S i N 3 8 0 A 、 高 伸 張 應 力 條 件 ( H i g h T e n s i l e 7 0 0 A ) 及 高 壓 縮 應 力 條 件 ( H i g h C o m p r e s s i v e 7 0 0 A ) ； 如 表 2 - 1 。