利用氘化及氮化處理製備高可靠性薄閘氧化層深次微米NMOS元件

利用氘化及氮化處理製備高可靠性薄閘氧化層深次微米 NMOS 元件

Highly Reliable Thin Gate Oxide Deep-Submicr on N-MOSFET by

Deuter ium and Nitr ogen Tr eatments

計畫編號：NSC 89-2215-E-009-045

執行期限：88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日

主持人：莊紹勳 國立交通大學電子工程學系

一、中文摘要 深次微米 MOS 元件熱載子可靠性問 題為現今半導體可靠性最重要關鍵性課題 之一。在先進的半導體設計上，元件不斷 的小型化而且閘氧化層不斷的薄化，這使 得元件熱載子可靠性必須重新考量。為了 有效的解決元件熱載子效應，吾人設計了 氘化及氮化製程。分別利用氘氣及氮氣對 閘氧化不同的傷害改善機制，來增強元件 熱載子可靠性。 在本計劃中，吾人首先設計氘化、氮 化的元件一批，元件採用 40Å 超薄氧化 層。其後，乃進行熱載子(IB,max)加速實驗。 吾人利用電荷幫浦法及電性量測的結果， 成功的驗證氘化及氮化製程對熱載子傷害 改善的結果。本計劃得到重要結論有：(1) 氮化閘氧化層可藉由穩定的 Si-N 鍵結，有 效的改善元件熱載子可靠性。(2)氘氣製程 乃是利用同位素效應及其鍵結(Si-D)的震 盪頻率，成功的降低元件熱載子傷害。(3) 氘化製程應用於電漿傷害的研究上，亦獲 得相當程度之改善。 關鍵詞：深次微米 MOS 元件，熱載子可靠 性，氘化製程，氮化製程，電漿製程傷害。 Abstr act

The issue of hot carrier reliability for the deep-submicron MOSFETs is the most important topic in modern IC reliability. To achieve higher device performance in advanced IC manufacturing, device channel length is shrunk and gate oxide is thinned.

carrier effect is strongly required. In this project, to effectively solve the issue of hot carrier effect, deuterium post-metal annealing process and N2O gate oxynitride have been

introduced. By using the different efficacies of these two materials, the hot carrier effect can be immunized.

In this project, we first designed and fabricated N-MOS devices with thin gate oxide (Tox ~ 40Å ). The split conditions

included the material (O2 and N2O) of gate

oxide and the post-metal annealing processes (D2 and H2). Then, the IB,max accelerated

experiments were performed. From the experimental results, we found that the hot carrier effect can be effectively suppressed by the N2O gate oxynitride and the deuterium

annealing process. Several important conclusions have been drawn. First, the hot carrier effect can be reduced by the N2O gate

oxynitride as a result of the strong Si-N bond. Second, the two reasons for the immunization of device degradation by the deuterium annealing process are the isotope effect and the vibrating frequency of the Si-D bond which is the same as that of silicon phonon. Finally, plasma damage can also be cured by the deuterium annealing process.

Keywor ds: Deep-submicron MOS devices, hot carrier reliability, deuterium annealing process, N2O gate oxynitride, plasma

damage.

設計高效能高可靠性深次微米 CMOS 元件為現今大家所共同努力的目標。為了 完成此一目的，必須透過半導體製程與材 料上的配合。之前有人利用 N2O 或 NO 成 長的氧化層來改善元件可靠性問題，但是 在未來更高的可靠性要求上，單單只靠此 一製程將不足以符合元件設計的需要。於 是，氘氣(D2)高溫回火製程開始被應用於增 強元件熱載子可靠性。近年來知名的美國 大學、公司以及實驗室(Bell Lab.)，都已在 國際知名的 conference，諸如 VLSI[1]、 IRPS[2]，以及 Letter 型式論文，如 EDL[3-4] 等，發表跟氘氣有關的可靠性研究成果。 這些研究，往往只涵蓋 D2製程對元件電特 性上的影響或是一般性元件熱載子生命週 期(lifetime)做簡略探討，並無法深入研究其 元件退化情形及其物理機制。本研究群於 兩年前已著手於氘化製程對元件特性改善 之研究，首批成果發表於 1998 年 SSDM [5](其中主要即以 TFT 元件為研究對象)， 根據累積的經驗，吾人將可把它實際應用 於 MOS 元件之研究，為本計劃目標。 在現今元件設計考量上，若要使得元 件長時間正常運作，必須對其熱載子可靠 性問題做深入的研究。由於元件的熱載子 可靠性，不管是氘化或是氮化改善製程， 以往的研究都只是片面的講述到該現象， 但是對於更深入的機制研究，國內外的研 究都相當的缺乏﹔或者，以往都侷限於單 一製程對元件電性改善之研究。本計劃著 眼於此，即設計結合氘化及氮化製程的 MOSFET 來進一步研究及探討其改善機 制。 在計劃的進行上，可分為三個階段:在 第一個階段，乃是完成氮化閘氧化層與傳 統閘氧化層的特性比較﹔第二階段將完成 氘化高溫回火製程對元件電性的改善研 究﹔第三階段將針對最近相當熱門的主題 -電漿傷害，進行可靠性之探討。是故，本 研究之完成，除了將前述之氘化氮化製程 做一詳盡且完整之研究外，並可作為未來 設計元件可靠性之參考。 三、結果與討論 本計劃旨在研究薄閘氧化層元件中， 因熱載子注入所引起的可靠性相關問題， 並利用氮化及氘化製程作為改善元件可靠 性方法。同時，吾人將採行電荷幫浦技術 [6]來探討其電性退化模式及其物理機制， 以作為未來設計超薄氧化層元件可靠性之 設計準則。 計劃執行上，將分別針對 n-MOSFET 元件進行以下之研究：(1)針對傳統(O2)閘 氧化層及氮化(N2O)閘氧化層進行熱載子 傷害分析﹔(2)對此 n-MOSFET 進行氫化 (H2)及氘化(D2)高溫回火製程，分別對其進 行熱載子傷害研究﹔(3)將此一氘化製程應 用於電漿傷害之研究，並研究其影響﹔以 及(4)針對前述氘化及氮化製程，分別探討 其傷害改善機制及其模式。各項研究工作 及成果分述如下： (1)氮化閘極氧化層之可靠性研究 傳統閘氧化層乃是採用熱氧(thermal oxide)法去成長閘氧化層，近年來為了增強 閘氧化層的品質，紛紛有人改以其他方式 來成長氧化層。其中最常被使用的乃是採 用 N2O 或是 NO 去成長氧化層，其主要原 因有二: 一為製程相容性好(因為此兩者皆 為含氧元素之氣體，可直接用於成長氧化 層)﹔二為成長後之含氮成份閘氧化層，其 本質的崩潰(intrinsic oxide breakdown)電壓 可以大幅的提升。 本計劃先針對傳統熱氧(thermal oxide, O2)法成長之閘氧化層與含氮(以 N2O 氣體 成長)閘氧化層分別進行熱載子加速實驗 (IB,max stress)。其元件基本電性量測結果如 Fig.1 所示。在初始(fresh)狀況下，兩者的 subthreshold 特性大致上差距不大﹔然而， 經過一段時間的 IB,max stress 之後，可以明 顯看出含氮閘氧化層傷害程度小於傳統熱 氧法(O2)成長之閘氧化層，這表示氮化的閘 氧化層可改善部份的熱載子傷害。

為了分析此一特性，吾人採行電荷幫 浦量測來觀測元件中傷害產生的情形，所 得的結果如 Fig.2 所示。由此圖可以看出， 元件處於初始(fresh)狀態下元件的電性大 致上也是很接近。然而，經過一段時間的 IB,max stress 後，亦可發現對於含氮之閘氧化 層電荷幫浦電流量較小，亦即產生的界面 缺陷(interface state)量較少。這結果即與前 述 之 subthreshold 區 域 的退 化 情 形 相 吻 合。 再更深入的研究熱載子效應對元件傷 害的情形，吾人採行前述所提及的電荷幫 浦粹取法[6]來觀測元件中產生的界面缺陷 之分佈情形，所得之結果如 Fig.3 所示。由 此，可以明顯的看出經過 3000 秒的熱載子 加速實驗，果然在含氮的氧化層元件中， 界面缺陷(interface state, Nit)產 生 的 量 較 少。由此反推到前面 ID-VG退化曲線，可以 得知-此含氮閘氧化層減緩了界面缺陷產 生速度，使這得元件的熱載子傷害較小， 而元件退化情形較不嚴重。 (2)氘化回火製程對元件可靠性之影響 根據前面所得之結果，在這吾人設計 氮化閘氧化層元件，同時輔以氘化或氫化 高溫回火製程，來增強元件的熱載子可靠 性。由於氘氣與氫氣的化性接近，主要僅 差在兩者的原子質量不同，故氘氣製程可 以完全相容於原先的氫氣製程。 對於此設計之元件，首先觀察其基本 電 性 的 差 異。 由 Fig.4 中 的 fresh 元 件 subthreshold 特性曲線上，可以看出此氘化 與氫化高溫回火製程對元件基本電性造成 的影響幾乎是微乎其微。然而，當採行 IB,max stress 3000 秒之後，兩者的差異即被突顯出 來。如預期的，經過氘氣回火製程之元件 擁有較好之電性。 同樣的，為了檢測元件的界面缺陷產 生量，吾人採行了電荷幫浦法量測法，得 到的結果如 Fig. 5 所示。在初始(fresh)狀況 亦即，不管用氘氣或是氫氣去 annealing 晶 圓，在初始狀態下界面缺陷(Nit)產生量幾乎 沒有多大的差別。而且，氘氣製程元件的 ICP量值僅僅小於氫氣製程元件一點點。經 過一段時間的 stress 之後，兩者之 ICP電流 值即有明顯的差距，在這已經可以看出氘 氣優越的特性開始被突顯出來。 為了區分它的熱載子傷害產生原因為 何，吾人進行閘極造成的汲極漏電流(GIDL) 量測，結果則如 Fig.6 所示。此 GIDL 電流 常被用於觀測元件的閘極與汲極 overlap 的 區域的電荷量，若有漂移的情況發生，即 表示區域的電荷量被改變。由該圖中之 fresh 特性曲線，吾人可以看出不論是在較 高汲極偏壓下(VD)或是較低的偏壓下，兩 者 GIDL 電流大致上接近，亦即該區域電 荷殘存量很接近。而在 stress 後，氫氣與氘 氣所得到的 GIDL 電流仍然很接近，且量 值也與原先初始(fresh)條件下之 GIDL 電流 量值差不多。然而，吾人看到低 VD電壓下 的 stress 後的特性，這區乃是 band-to-band tunneling 與 trap-assisted tunneling 所主導。 其中，氫氣製程的 GIDL 量值大於氘氣製 程，其主要原因乃是因為在汲極附近產生 較多量值的 interface traps，以致於此一 GIDL 在低偏壓的時候仍有較大的電流值 存在。而此結果反映到前面的 Fig.5，同樣 的可以驗證此 interface state 的產生量較 大。 由前述三者看來，此一測試之元件在 初始狀況下，特性都很接近。而氘氣製程 在整體上僅微量的優於氫氣製程。 接下來，吾人計算隨時間變化的汲極 飽和電流(saturation current)退化情形，得到 如 Fig.7 的結果。同樣的，結果與前面類 似，亦是氘氣效果優於氫氣的效果。而電 荷幫浦法對時間的作圖可以反映元件界面 狀態隨時間的產生情形，結果如 Fig.8 所 示。結果與汲極飽和電流退化情形類似， 幾乎是接近成正比的關係。

去計算元件的界面缺陷的分佈情形，其結 果如 Fig.9 所示。由此，吾人可知此乃是界 面缺陷所主導元件的熱載子退化，而非氧 化層的電荷。 (3)氘化製程應用於電漿傷害之改善 在這個部份的研究中，吾人把氘化製 程應用於具有天線結構之元件，來觀測其 對元件傷害改善的結果。所謂的天線結 構，乃是在電漿製程中會引發元件研究電 漿傷害之結構。Fig.10 中所示乃是在這研 究中所採用的天線結構。 同樣的，先量測其元件的 ID-VG電流特 性與電荷幫浦電流，結果分別如 Figs.11 與 12 所示。由此兩者來看可以發現，在熱載 子實驗之前元件的電漿傷害量值大致上差 距不會太大。這主要原因乃是在製程中， 已經採行了氮化的閘氧化層，有效的降低 製程中產生的電漿傷害。然而，經過一段 時間的熱載子實驗之後，元件潛在性的電 漿傷害就會再被激發出來。吾人可以明顯 的看出，氘氣製程在熱載子加速實驗之 後，仍有較好的結果。這表示氘氣製程有 效的改善了電漿傷害對元件後續的影響程 度。 接著量測其 GIDL 電流(如 Fig.13)，來 觀測區域性氧化層電荷的產生情形，可以 看出在氫氣製程的元件中熱載子加速實驗 後 產 生 較 多 量 的 氧 化 層 電 荷 (electron trap)﹔相對的，氘氣製程產生的量較少。 不過這些量值都不算大，所以沒有進一步 進行排除氧化層電荷(detrapping)的動作。 同樣的，利用電荷幫浦粹取法吾人可 以 取 得 在 此 狀 況 下 之 傷 害 情 形 ( 如 Fig.14)。這可以用來印證前面的結果-可以 看出氘氣製程中，產生的界面狀態(Nit)較 小，這使得元件退化的量較小。 (4)熱載子傷害退化機制分析 元件的熱載子傷害產生原因不外乎是 產生界面缺陷或是產生氧化層的電荷量。 然而，在此ｎ型 MOSFET 元件之中，元件 承受熱載子(IB,max)加速實驗之後，主要即以 產生界面狀態(interface trap)為主。這使得 元件中電子的移動速度(mobility)下降，而 造成元件的電流值下降。 由 前 述 之 實 驗 中， 對 於氮 化 閘氧 化 層，主要的降低元件熱載子可靠性問題的 方式乃是因為它乃是形成 SiONx的結構， 氧化層中含有強力的 Si-N 鍵結。這使得氧 化層內部鍵結強度大幅提昇，而熱載子無 法輕易撞斷元件的鍵結。 而氘氣製程中亦可降低元件的熱載子 效應，其主要的理由可分為兩類[7]:第一類 是說法，主要乃是用同位素效應來解釋-亦 即氘氣原子比氫氣原子大一倍，原子大小 比氫大，這使得熱載子在撞擊時不太容易 的動較重的氘原子。而且，氘原子比較大， 卡在界面中就不太容易再位移，也使得它 特性較好。另外一種說法是，氘氣與氫氣 製程對 Si 來說形成的鍵結(Si-D 和 Si-H)能 量很接近(兩原子的化性接近)，但是由於 Si-D 的共振頻率接近 Si 聲子(phonon)的共 振頻率，這使得元件熱載子衝撞通道表面 時，其能量可以藉由 phonon 來有效的排 除，使得 Si-D 鍵結較不容易斷裂，而特性 較好。 另外，有人用 SIMS 的量測結果[7]驗 證了以下的結果，氘氣原子會穿透重重的 保護層(passivation layer)而到達矽基底(Si-substrate)與閘氧化層(gate oxide)的界面，並 且大量聚集在界面(interface)的位置﹔而相 反的氫氣原子並無明顯的聚集在 oxide-substrate 的界面。此乃因為氘氣原子較大， 較易被卡在該界面，而氫氣原子卻因原子 較 小 ， 穿 透 過 該 界 面 而 到 達 了 Si-substrate。所以，氘氣製程對於抑制元件熱 載子傷害較有效。而這些特性反映到元件 電性上，就如同本研究所得到電特性及退 化情形。 然而，氘氣製程並非沒有他的缺點存

在。因為氘氣屬於稀有的同位素，存量遠 比氫氣來的少，單位用量下單價較為昂 貴，這使得氘氣製程雖可以有效的抑制元 件熱載子傷害，而在短期內暫時無法完全 應用現今的 IC 製程之中。此為現今氘化製 程最大之缺點。 四、計劃成果自評 近年來， 元件 的小 型化，使 得熱 載 子效應變的更為複雜，為了有效的解決 元件的熱載子傷害，吾人在此利用了氘 化與氮化的製程，分別對元件造成不同 效應來有效的改善元件的特性。在本研 究中，已經成功的利用電荷幫浦法去取 得界面缺陷產生的分佈情形，並完整的 解 釋 元 件 熱 載 子 傷 害 的 改 善 情 形 。 另 外，吾人並將氘化製程應用於電漿蝕刻 傷害的研究上，並得出有效的傷害改善 結果。而從本研究中可以得知，對於氮 化的效應，主要乃是因為他會造成強健 的 S-N 鍵結，使得元件的 oxide quality 變 好 ， 抗 熱 載 子 能 力 就 可 以 大 幅 的 提 高。而氘化的效果主要有兩個，一個是 同位素效應，另一個乃是它的震盪頻率 接近 Si 晶格，這使得其在熱載子加速實 驗中 Si-D 鍵結也不容易斷裂。是故，本 計劃中即合併這兩個效果，有效的應用 於元件熱載子傷害的改善，而得出實質 的成果。 本計劃部份研究成果分為三個部份， 第一個部份乃是關於氮化閘氧化層的研究 成果，此部份延續了先前的計劃，結果除 了已發表於國際性會議 99IRPS[8]外，並陸 續投稿到國際性期刊 ED﹔第二部份乃是 關於氘化回火製程的研究成果，除了前述 所投之 98SSDM[4]外，其他相關之結果並 陸續在整理當中﹔第三個部份乃是關於電 漿蝕刻傷害研究的部份，現今已發表於國 際 性 會 議 論 文 2000 年 IRPS[9] ， SSDM[10]，及 SISC[11]﹔國內性會議論文 2000 年 IEDMS[12]，除此之外最近亦在彙 整結果，亦將會投稿到國際性期刊 ED。

[1] Z. Chen et al., in Tech. Digest of Symp. on VLSI Tech., pp.180-181, 1998.

[2] S. Aur et al., in Proc. of IRPS, pp. 180-183, 1998.

[3] I. C. Kizilyalli et al., IEEE Trans. EDL, pp. 81-83, 1997.

[4] I. C. Kizilyalli et al., IEEE Trans. EDL, pp. 444-446, 1998.

[5] D. C. Chen et al., Ext. Abs. SSDM, Hiroshima, Japan, pp. 440-441, 1998. [6] S. S. Chung et al., Ext. Abs. SSDM,

Chiba, Japan, pp. 841, 1993.

[7] K. Hess et al., IEEE Trans. ED, pp. 406-416.

[8] S. S. Chung et al., in IEEE IRPS, pp. 249-252, Mar. 22-25, San Diego, 1999. [9] S. S. Chung et al., in IEEE IRPS, pp.

389-393, Apr. 10-13, San Jose, 2000. [10] S.-J. Chen et al., Ext. Abs. SSDM, pp.

16-17, Aug. 29-31, Sendai, Japan, 2000. [11] S. S. Chung et al., IEEE SISC, pp. xx,

San Diego, Dec. 7-9, 2000.

[12] S. J. Chen et al., in IEDMS, pp. xx, Dec. 20-22, 2000.

Fig. 5 The fresh and stressed charge pumping currents (ICP) for the D2and H2annealing

processes.

Fig. 6 The fresh and stressed gate-induced-drain-leakage (GIDL) currents for the D₂and H₂ annealing processes.

Fig.7 The time dependence of the drain current degradations for the D2and H2annealing

processes.

fresh stressed

fresh stressed

Fig. 8 The time dependence of charge pumping currents for the D2and H2annealing processes.

Fig. 2 The fresh and stressed charge pumping currents (ICP) for the O2gate oxide and N2O gate

oxynitride.

Fig. 3 The extracted Nitdistributions for the O2

gate oxide and N2O gate oxynitride.

Fig. 4 The fresh and stressed subthreshold characteristics for the D2and H2annealing

processes.

Fig. 1 The fresh and stressed subthreshold characteristics for the O2gate oxide and N2O

gate oxynitride. stressed fresh fresh stressed stressed fresh

Fig. 14 The extracted Nitdistributions for the

plasma damage study with D2and H2annealing

processes.

Fig. 11 The fresh and stressed subthreshold characteristics for the plasma damage study with D2and H2annealing processes.

Fig. 12 The fresh and stressed charge pumping currents (ICP) for the plasma damage study with

D2and H2annealing processes.

Fig. 13 The fresh and stressed gate-induced-drain-leakage (GIDL) currents for the plasma damage study with D2and H2annealing

processes.

fresh stressed

Fig. 9 The extracted Nitdistributions for the D2

and H2annealing processes.

Fig. 10 The antenna structure for the plasma damage study with D2and H2annealing

processes. D B G S Antenna fresh stressed fresh stressed