一种改善由隧穿氧化层氮化技术引起栅氧化层衰退的方法

李绍彬

（中芯国际集成电路制造(上海)有限公司，上海 201203）

1 引言

在闪存器件中，隧穿氧化层扮演着关键的角色。因为闪存器件在擦写过程中，隧穿氧化层始终要承受热电子的穿越和较高的操作电压。这就对隧穿氧化层的可靠性提出了很高的要求。氮化技术在隧穿氧化层的应用已经被很多研究证实可以很好地提高隧穿氧化层的可靠性[1～4]。但是从整个工艺整合的角度来说，虽然氮化技术可以提高隧穿氧化层的可靠性，但是它同时也会给外围器件的栅氧化层带来负面影响。由于氮化技术的引入，外围器件的衬底也会被氮化，如果有氮残留在衬底表面，氮会成为后续栅氧化层氧化的障碍，它阻碍氧化剂的扩散从而使得栅氧化层生长过程中出现局部氧化不均匀，而且氮残留也使得衬底表面不光滑，这也导致栅氧化层生长不均匀[5,6]，从而使得器件栅氧化层的可靠性出现问题。

2 实验内容

实验是在12寸的NOR型浮栅闪存工艺平台上进行的。测试结构是70 μm×220 μm的NMOS和PMOS电容，其中包含有3种测试结构，分别是块状多晶硅栅结合块状有源区、块状多晶硅栅结合条状有源区以及条状多晶硅栅结合块状有源区。

图1列出了从隧穿氧化层到外围器件栅氧化层的工艺流程。在生长隧穿氧化层的过程中，会使用到1050℃、30 min的N2O退火以氮化SiO2和衬底Si的界面，这样可以提高隧穿氧化层的质量，最后隧穿氧化层的生长厚度为9 nm，外围电路器件的栅氧化层厚度为16 nm。由于隧穿氧化层的生长是在外围器件的栅氧化层前，所以在隧穿氧化层的氮化过程中，外围器件的衬底上也会被氮化。在去除外围电路区隧穿氧化层、浮栅和栅间介质步骤中使用了干法蚀刻结合湿法蚀刻的方法，具体来说是先用干法蚀刻去除栅间介质、浮栅和一部分隧穿氧化层，最后用缓冲氧化蚀刻剂的湿法蚀刻将剩余的隧穿氧化层清除干净。在Sze-Yu Wang等人的研究[7]基础上以及考虑到加入额外的氧化过程会导致器件性能出现改变，我们在去除外围电路的隧穿氧化层、浮栅及栅间介质时设计了不同的过量湿法蚀刻。这个目的是要将外围电路区衬底表面的氮残留清除干净，以便长出高质量的栅氧化层。表1列出了不同的实验条件，以无氮化技术的隧穿氧化层以及过量湿法蚀刻150%作为参照条件，在此基础上设计了不同的过量蚀刻条件进行对比分析。

实验测试使用斜坡电压（Voltage Ramp,Vramp）和经时绝缘击穿（Time Dependence Dielectric Breakdown, TDDB）[8]来表征栅氧化层的可靠性。

图1 隧穿氧化层到外围电路器件栅氧化层的工艺流程

表1 不同实验条件内容

3 实验结果

对Vramp早期失效样品进行失效分析，先用发射式电子显微镜（EMMI）对失效点进行定位，然后用聚焦离子束显微镜（FIB）进行横截面切片，从图2中我们可以观察到在经过Vramp测试后，栅氧化层已被烧毁，说明在失效样品的栅氧化层中存在着较为严重的缺陷导致了早期失效的发生。

图2 EMMI定位和FIB横截面切片照片

用二次离子质谱（SIMS）对不同条件的隧穿氧化层进行元素分析。从图3可以观察到，对比无氮化技术的隧穿氧化层，有氮化技术的隧穿氧化层在4 nm的界面明显存在一个N元素的峰并且向衬底分布。这表明了由于隧穿氧化层氮化技术的引入，使得衬底区域也被氮化了。在经过过量蚀刻后，再用SIMS进行分析，可以看到衬底表面的氮残留已经被去除掉（见图4）。图4中衬底表面的O峰应该是样品制备过程中自然氧化形成的。

图5是不同过量蚀刻的Vramp韦伯图。图中有两种失效模式：模式A，击穿电压≤操作电压，表征早期失效；模式B，操作电压＜击穿电压＜2.3倍操作电压，超过模式B的击穿电压表明介质的可靠性达到业界标准。从图中可以看到即使以相同的过量蚀刻，但是有氮化技术的实验还是出现了早期失效点，而只有达到200%的过量蚀刻量后才没有早期失效点，但是和无氮化技术的分裂比起来，栅氧化层的击穿电压还是低了将近2 V。过量蚀刻加到250%，既无早期失效点，同时击穿电压也接近到无氮化技术的数值。这表明了在对衬底表面的氮残留进行充分的去除后，可以生长出比较高质量的栅氧化层。

在表2基于热化学击穿模型的TDDB测试中，在与无氮化技术分裂同等量的蚀刻条件下，栅氧化层的寿命达不到10年，只有将蚀刻量加大的条件下才能保证10年的可靠性。

图3 二次离子质谱（SIMS）对不同条件隧穿氧化层进行元素分析

图4 经过过量蚀刻后的SIMS分析图

图5 不同过量蚀刻的Vramp韦伯图

图中T表示厚的氧化栅，B表示块状多晶硅栅结合块状有源区，FE表示块状多晶硅栅结合条状有源区，PE表示条状多晶硅栅结合块状有源区， N/P分别是N/P型井。(a)为实验条件1，无失效点；(b)为实验条件2，有失效点；(c)为实验条件3，无失效点；(d)为实验条件4，无失效点。

表2 PMOS和NMOS的TDDB寿命

4 结论和分析

通过对不同实验条件的栅氧化层元素进行分析，我们可以看到由于氮残留使得栅氧化层生长过程中产生缺陷从而导致了氧化层的可靠性达不到业界标准。使用过量湿法蚀刻可以将衬底表面的氮残留清除掉，同时由于仅仅是使用了过量的湿法蚀刻，并没有引入额外的制程，使得对整个工艺流程并没有带来太多的改动。从Vramp数据来看，在过量250%的蚀刻后，栅氧化层的击穿电压可以达到无氮化技术的水平，同时TDDB的数据表明这种方式也能达到业界的10年可靠性要求。

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