论文研究-通过侧墙及有源区刻蚀工艺优化提升55nm器件工艺窗口的研究 .pdf

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通过侧墙及有源区刻蚀工艺优化提升55nm器件工艺窗口的研究,顾林,,55纳米低功耗平台(55LP)的器件工艺窗口不足是长期存在的一个问题,主要表现为两个方面:1. 器件速度偏慢导致的晶圆边缘(W/E)Mbist�
山国武技论文在线 有心阱注入心胡氧多晶硅第一道侧墙 浅掺杂洞→第三道侧增→源漏注入→快热退火 图 前段工艺流稈简图 炉管工艺由于机台特性,其沉积得到的氮化仹薄膑厚度在晶圆内分布存在一定的 非均匀性,越靠近昰圆边缘薄膜越厚;同时, 是批量()作业,一个满批片晶 圆一起作业,从的底部到顶部,晶圆内膜厚均匀性也存在差异,越往顶部,边 缘薄膜偏厚的现象越明显,如图所小。这种晶圆内膜厚的非均匀性会对后续的快速热退 火匚艺的激活效果造成影响。通常认为氮化硅薄膜越厚,其吸热量越大,相应的有源 区吸收到的热量越少,掺杂离了的激活越不充分,器件速度就会偏慢。因此顶部过货 的晶圆容易出现昌圆边缘〔尤其是最外圈)的失效。针对这一问题, 平台现 有的应对方式是通过快速热退火对应晶圆边缘区域()进行加温补偿(如图 所示 温度越高,掺杂离子激活度越高,器件速度越快,从而抵消薄膜在晶 圆边缘偏厚对器件速度的负面作用。如图所示 在晶圆边缘区域进行加温度补偿, 虽然提升了最边缘的器件速度降低了失效,但由于的温度影响范围较人 这两个区域加温度会使晶圆边缘区域整体的器件都偏快,在晶圆次外圈产生漏电的峰值。并 且,越靠近底部的皛圆该漏电峰值越高,相应的漏电性能越差,器件偏快方向的工艺 窗口越窄。 顶部→ 中部→l 芯片漏电线扫指数据 HB顶部H2中HEB 底部→ 图侧墙炉管及艺造成的漏电分布:第二道侧墙氮化硅沉积批量作业结构及从底部到顶 部晶圆内膜厚分布示意图:快速热退火个加温区示意图 共个区,数字越大相对 应的加热区域越靠近晶圆边缘;沿晶圆直径方向芯片漏电线扫摧数据(区分底部中部顶部) 通过上述分析可以看到,和这两个与器件速度密切相关的工艺,由于前者膜 厚均一性的差异造成批次内及晶圆内器件速度的不均匀性,产生晶圆最外圈的失效, 后者对前者非均匀性的补救又会同时造成晶圆次外圈的 失效。对于部分对漏电 性能无要求或者要求较低的产品,只需要考虑器件偏慢方向的窗口问题,即单边问题, 可以通过调快整体器件速度来解决器件窗口问题;对于和 规格都较紧的产品, 山国武技论文在线 就不得不面对器件偏快和偏慢两个方向的双边窗∏问题。本文从两个角度出发来解决 平台的器件工艺窗口问题:一是通过使用新的条件提升膜厚均一性,同时搭配 温度补偿的微调来提升晶圆内器件速度的均一性,从而提升工艺窗口:二是通过有源区钝角 优化,提升小尺寸器件速度的同时降低整体漏电水平来提升工艺窗口,如图所示。 可k,,,4 RT4zone区 图提升器件工窗口的两种措施:提升品圆内器速度的均一忙,降低次外圈漏电峰值;降 低品圆整体的漏电水平 实验部分 本文所有实验基于英寸晶圆生产线工艺进行,针对有源区刻蚀,第二道侧墙的 氮化硅沉积以及快速热退火这三个工艺进行优化。 有源区钝角优化( 通过优化有源区刻蚀工艺,增加有源区边缘顶角 的曲率半径,以此来降低有源区边缘的局域电场强度,从而降低漏电水平。如图所示 为有源区钝角优化前后的照片及通过仿真得到的顶角局域电场强度。可以看到,通过 钝角优化,有源区边缘顶角的曲率半径扩大倍,相应的顶角局域场强降低近 第二道侧墙氮化硅下艺优化遥过气流气压温度的综合调整进行,可以优化批次内及晶 圆内的膜厚均一性。具体膜厚数据总结如图,优化条件下顶部的膜厚均勺性接近旧 条件下的底部状况,同时,优化条件下底部的晶圆边缘膜厚基本接近中心区域,已无明显差 异。总的来说,虽然工艺优化过后批次内从底部到顶部的膜厚均匀性还是存在一定差 异,但不论是批次内膜厚均一性还是晶圆内的膜厚均一性都有显著的改善。 快速热退火工艺中的加热灯泡可以针对不同区进行调节,通过调整两个 区的灯泡功率可以实现对相应区域的不同温度补偿,基准条件为℃,本文中的温度补 偿是在基准温度的基础上进行℃的浮动调整。 山国武技论文在线 2.7E8 (C 有源区钝角优化前后曲率半径与局域场强对比 ■顶角庄率半径■顶角局域场强 正常工艺 镜角优化 图有源区钝角优化效果:有源区钝角优化前后对比,仿伤真得到的场强对比,和相关数据 对比图 (b) 晶圆边缘与中心区域HCD膜厚差异对比 m正常HCD工艺■优化HCD工艺 4.0 Center Bottom 顶部 中部 底部 图 工艺优化效果:工艺优化前后品圆边缘区域和中心区域膜厚差异对比和批次内和品圆内 膜厚变化示意图 结果讨论 电学性能分析 由于在测试结构( )无法排布到晶圆最边缘,因此也无法收集到晶圆最边 缘的电性情况。实验表明,电性测试能够监控到的区域最多覆盖到 区,相应区 域的器件速度受 温度补偿的影响也最大。图给出」温度补偿分别为℃C 和℃情况卜的 饱和工作电流在晶圆内的分布情况,可以看到通过减少温度补偿 可以有效地降低边缘区域的器件速度。由于在批次不同位置的晶圆膜厚均性并不 致,而优化条件有助于提升批次内和晶圆内的膜厚均匀性,从图中可以看到,正 条件下,批次顶部过货的晶圆边缘区域器件速度明显比底部的偏慢,而在优化 条件下,顶部和底部晶圆的器件均匀性差异明显减小。同时,通过降低温度补偿, 山国武技论文在线 晶圆边缘与中心区域器件速度的差异有明显的缩小,最优条件为温度补偿℃,该条件 顶部到底部的器件速度均匀性最小也最收敛。 (a)r补偿+25℃ b) 晶圆边缘与中心区域器件速度差异 命优化HCD顶部■优化HCD部▲正常HCD部·正rCD底 T6补偿+1宽 23 RTAT6温度补偿/℃ 图器件速度均一性优化对比: 温度补偿分别为℃和℃时的器件速度分布对比(); 正常优化条件,不同温度补偿,顶部和底部的品圆边缘与中心区域器件速度差异对比 根据已有经验,有源区钝角优化工艺有助于降低漏电水平。图给出了正常有源区 刻蚀工艺和钝角优化刻蚀工艺静态漏电流与器件饱和工作电流相关性对比,有 源区钝角优化 降低显著。同时发现,大尺寸器件速度相当的情况下,小尺寸器件的饱 和工作电流也有明显的增加,如图所小,该现象可以通过图来解释:由于版图和 光刻条件未变,仅仅是有源区刻蚀条件改变增加了有源区的边缘的顶角曲率半径,虽然投影 面积木变,但是由于顶角由率半径增大,实际的有源区衣面积增大,从而导致了器件速度变 快,而这种效果在小尺寸的器件上表现尤为显著。 C) 钝角优化 正常工艺 角优化 ·正常工艺 *正常工艺 钝角优亿 大尺寸MoS器件dsat 器作 eldad 图有源区钝角优化对器件性能的影响:正常有源区刻蚀工艺和钝角优化刻蚀工艺大小尺」器件速度饱 和工作电流相关性对比和静态漏电流与器件饱和工作电流相关性对比 正常工艺和钝 角优化两种条件下有源区有效表面积(红色区域)示意图 良率分析 和工艺优化器件窗口的影响 通过降低昌圆边缘区域温度补偿是降低该区域器件速度从而降低漏电的有效方法 之一,但是,由于边缘区域温度的降低有可能引起失效率的升高,在调整相关工艺条 件时,器件两边的窗口是需要综合考虐的问题。如图所示,通过降低 两个 区的温度补偿,可以有效地降低漏电,提升器件偏快方向的工艺窗口,但同时器件偏 山国武技论文在线 慢方向的失效率明显升高。从图中芯片漏电线扫描的数据可以看到,降低 的温度补偿有效地降低了晶圆次外圈的漏电峰值,改善了晶圆内漏电水平的均匀性, 因此得到了较好的漏电工艺窗口。但是,由于批次顶端的晶圆边缘区域器件速度本身 就偏慢,单纯的降低晶圆边缘区域的温度,会使该区域的器件速度更慢,从而导致高 的失效率。 器件窗囗 芯片漏电线扫描数据 ▲正常条件 ●F优化 和A优化一正常工艺 3·2°0·1"03+10+2a=3” NMos饱和工作电流 I?T5143IT11131415T6T7 罂件窗口 ■正常景件CDTA优 NMOS饱和工作电流 图经和优化的器件工艺窗口:条件优化与正常条件的器件窗口对比及芯片漏电线 扫描数据对北 通过与相结合的优化的器件窗口对比 条件的优化可以有效的降低晶圆边缘区域薄膜偏厚的程度,提∫薄膜的均·性, 对于降低效会有较为明显的作用。图是将的优化条件与的优化条 件相结合得到的器件工艺窗凵结果。这两个优化条件相结合确实有效的降低了器件偏慢宀生 尖效,但是,器件偏快方向 失效率上升明显,相对正常条件的水平改善有 限,整体器件工艺窗口提升约 。这两个工艺的优化条件相结合仍然有一定的探索 空间,比如说进一步降低边缘区域的温度补偿等。 有源区钝角优化对器件窗口的影响 如图所示,通过有源区钝角优化,不仅可以降低 水平,提升器件偏快方向 的工艺窗口(约 ),同时对于降低 失效,提升器件偏慢方向的工艺窗口起 到了更为显著的作用(约 )。根据 平台的纾验,有源区钝角优化可以降低整 体的漏电水平,图中可以看到钝角优化条件下晶圆漏电中值(能够反应整片晶圆漏电 的平均水平)相对正常工艺条件有明显的降低。钝角优化对 失效的改善可以通过图 来解释:钝角优化可以增大有源区的有效表面积,能够较为明显的提升小尺寸器件的 速度,而 区域主要由小尺寸器件组成,因此有溟区钝角优化能够提升的工艺 窗∏ 山国武技论文在线 器件窗口 品圆漏电中值与器件逋度相关性 圆正常条件钝角化 中王常条件▲钝角优化 Ns饱和工作渣 NM和L作电流 图近冇源区钝角优化的器件工艺窗口:有源区钝角优化与正常工艺条件器件窗口的对比及品员漏电 中值与器件速度的相关性对比 结论 本文针对平台存在的器件⊥艺窗口不足问题,通过对有源区刻蚀钝角优化( ),第二道侧墙氮化硅沉积工艺 和掺杂离子激 活快速热退火工艺()的优化,有效地提升了器件窗口。第道侧墙氮化硅沉积和速热 退火相结合的工艺优化可以有效地改善批次内和晶圆内器件速度的均一性,从而提升晶圆边 缘区域的器件工艺窗口(约 )。有源区刻蚀饨角优化提升小尺寸器件速度的同时 可以降低晶圆整体的漏电水平,从而提升器件工艺窗口(约 )。日前上述两种优 化方案只进行了独立实验,如果将两者相结合,预计可以整体提升约 的器件工艺窗 口,相关的实验后续也会进行。本论文的发现对于提升平台的器件工艺窗口将起到积 极的推进作用! 参考文献 吴智勇低功耗产品漏电流优化的机理研究及解决方案集成电路应用,,(): 陶凯,郭国超,孔蔚然等利用退火改善隧穿氧化层的厚度均匀性半导体技术, : 陶凯,孙震海,孙凌等利用退火技术实现沉积二氧化硅薄膜平坦化半导体学报

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