一种使沟槽侧角圆滑的新颖STI工艺

2017-03-27徐海铭陈海波吴建伟

电子与封装 2017年3期

关键词：阈值电压氮化硅漏电

顾祥，徐海铭，陈海波，吴建伟

（中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072）

微电子制造与可靠性

一种使沟槽侧角圆滑的新颖STI工艺

顾祥，徐海铭，陈海波，吴建伟

（中国电子科技集团公司第 58 研究所，江苏无锡 214072）

介绍了一种使沟槽侧角圆滑的STI工艺技术，该技术在沟槽腐蚀完，通过湿法工艺去除部分氮化硅（Nitride Pullback），再正常生长线性氧化层，使槽的侧角更加圆润光滑，同时减小了沟槽Divot深度。该工艺避免了附加高温热过程所导致的缺陷扩散和膜应力增大问题，现已成功应用于0.13μm逻辑工艺。采用该工艺完成的器件，反窄沟道效应明显减弱，窄沟器件的漏电有效降低。

STI；Nitride pullback；凹槽(divot)；反窄沟道效应

1 引言

当工艺制程进入深亚微米阶段，STI（Shallow Trench Isolation，浅槽隔离）工艺是非常重要的主流隔离工艺。但是，STI侧角寄生效应所引起的器件二次开启现象以及反窄沟道效应是很严重的问题，如图1所示。为了尽可能避免和减弱这些不利效应的产生，我们有必要将STI 侧角做得更圆滑、divot深度更小，目前有很多方法来减小STI 侧角寄生效应[2]，例如在有源区边缘增加注入保护环[3,4]、多次线性氧化等，但这些方法大多都引入了复杂的工艺步骤或热过程，它们会带来很多负面的诸如缺陷、应力等影响。

本文研究了一种新颖的STI工艺及关键技术，对最终形成的沟槽进行了SEM形貌分析，测试分析了不同尺寸器件的特性，并与传统STI工艺进行了对比；结果显示：新STI工艺所形成的沟槽侧角更圆滑、divot深度更小、窄沟器件的漏电更小。

图1 器件二次开启 Id-Vg曲线

2 新型STI隔离技术关键工艺

在0.35μm以上的集成电路制造工艺中应用最广泛的隔离技术是LOCOS（Local Oxide Isolate on Silicon，硅局部氧化隔离）技术[5]，但是由于采用了场氧化工艺，氧化膜的深度以及由于氧化在场区边缘的有源区域上产生的鸟嘴效应都限制了这一技术的进一步应用；而STI技术则是为了对应 0.35μm以下的深亚微米工艺而发展的一种隔离技术。虽然STI技术在批量生产中已得到广泛应用，但如何改善STI的形貌以获得理想的漏电特性，良好的窄沟道效应仍有许多工作要做。传统的STI工艺流程主要包括：氧化和氮化硅生长、沟槽光刻腐蚀、线性二氧化硅的生长、HDP（High Density Plasma，高密度等离子体）二氧化硅生长、二氧化硅 CMP、Recess（凹处）腐蚀、氮化硅去除等工艺步骤；本次开发的新工艺是在沟槽光刻腐蚀后增加一步 Nitride Pullback，具体流程如图2 所示。

图2 新STI工艺流程

虽然在工艺步骤上仅增加了一步Nitride Pull back，但是会对其他工艺造成一些不可忽略的影响。首先，Pullback 是采用浓磷酸对氮化硅进行湿法腐蚀，目标是使氮化硅在横向上缩短一段（即比有源区窄一点），但是浓磷酸在横向腐蚀氮化硅的同时，氮化硅纵向也被腐蚀了（即变薄了），这样会直接导致STICMP磨更长时间，从而会使STI上二氧化硅变薄，导致STI台阶高度（Step Height）变低；其次，Pull back后在STI上有2个台阶，这样会导致STIHDP 的窗口变小，很容易形成空洞。因此，需要从工艺上去对这两点进行改善，对于Step Height的调节，我们减少了Recess腐蚀的时间；对于STI填充问题，我们减小了有源区的条宽并降低了沟槽的深度。具体工艺变化如表1 所示。通过以上工艺调整，STI的 Step Height得到了有效调节，STI填充空洞问题也得以解决，具体如图3 所示。

3 物理和电学特性结果分析

基于全新的STI工艺，我们对最终完成的圆片做了解剖，并进行了TEM （Transm ission electron microscope，透射电子显微镜）分析，分析发现：通过Nitride pullback 工艺，器件的STI 侧角圆滑，divot深度减小，具体如图4 所示。

表1 工艺更改对比

图3 STI有源区条宽及沟槽深度调整前后SEM照片

图4 有无Nitride pullback工艺STI 物理形貌对比

采用Nitride pullback工艺后，为了改善STI的填充效果，将STI沟槽深度降低，这样有可能会导致STI隔离漏电增大，需要进行测试确认，测试结构及测试结果如图5 所示，结果显示：当沟槽深度减小 60 nm时，漏电明显增大；沟槽深度减小40nm与原沟槽深度无明显漏电差异。

图5 STI隔离验证

为了验证Nitride pull back工艺对STI侧角寄生效应的影响，我们测量了不同沟道宽度器件的阈值电压、饱和电流、漏电流等参数，并作出了阈值电压和饱和电流随沟道宽度变化的曲线，对比了Pullback器件和常规器件，新器件的反窄沟效应明显减弱，具体如图6所示。

图6 器件参数随 W(沟道宽度)变化的趋势

另外，我们通过 BOX 图对比了典型窄沟器件的阈值电压、饱和电流和漏电流，新窄沟器件的阈值明显抬高、饱和电流偏低、漏电流明显偏低，具体如图7所示。对于STI隔离的 MOS器件中，沟道两侧的栅电极覆盖了部分场氧化层。三维器件模拟表明，由于栅边缘的电场终止于沟道侧边，从而使沟道边缘的电势增加。当沟道宽度小于3μm时，边缘电容在总电容中所占的比例明显增大，由于边缘电场，总的有效栅氧层电容 Cox（有效）=CoxWL(1+F/W)，其中F为边缘因子；这个F跟STI边缘的Divot密切相关，Divot深度越大，F也越大；而我们从Pullback器件和常规器件STI物理形貌上来看，最大的差别在于侧角的 Divot深度不一样，Pullback器件Divot深度明显小得多，有效栅氧层电容 Cox也就小，因此，相对于常规工艺的窄沟器件，Pullback器件的阈值电压明显偏大，漏电偏小，反窄沟效应明显减弱。

最后，我们还测了典型窄沟器件在不同衬偏下的Id-Vg曲线，新 Pullback 器件未出现二次开启现象，说明器件的STI侧角圆滑度没有问题，具体如图8 所示。

图7 典型窄沟器件特性

图8 典型窄沟器件 Id-Vg曲线

4 结论

本文详细介绍了一种全新的STI工艺，并分析了该工艺在开发过程中的关键技术点，通过减小有源区条宽、减小沟槽深度解决了STI填充空洞的问题；通过调整 Recess 腐蚀时间，有效控制了 Step height，采用该工艺完成的器件STI侧角圆滑，divot深度小。

对比了新旧STI工艺的阈值电压和饱和电流随沟道宽度变化的曲线，新工艺器件窄沟器件阈值电压大、饱和电流小、漏电流低，反窄沟效应明显减弱，并从原理上进行了分析。除此之外，还测试了新工艺器件在不同衬偏情况下的 Id-Vg曲线，确认不会出现二次开启现象。

[1]T Sato，et al.Trench transformation technology using hydrogen annealing for realizing highly reliable device structure w ith thin dielectric films[C].VLSITech Digest, 1998:206-207.

[2]N Shigyo，et al.Three-dimensional analysis of subthreshold swing and transconductance for fully recessed oxide(trench) isolation 1/4-μm-w idth MOSFET’s[J].IEEE Trans Electron Devices VolED-35,1988:945-950.

[3]A Chatterjee，etal.A shallow trench isolation using LOCOS edge for preventing corner effects for 0.25/0.18μmCMOS technologies and beyond[C].IEDM Tech Digest,1996: 829-832.

[4]T Ogura，et al.A shallow trench isolation w ith SiN guard-ring for sub-quarter m icron CMOS technologies[C]. VLSITech Digest,1998:210-211.

[5]C P Chang，et al.A highly manufacturable crner rounding solution for 0.18μmshallow trench isolation[C].IEDM Tech Dig,1997:661-664.

Novel Corner Rounding Process for Shallow Trench Isolation

GU Xiang,XU Haim ing,CHEN Haibo,WU Jianwei
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214072,China）

AnewSTI(Shallow Trench Isolation)corner rounding process isproposed.Theprocess removes parts of SIN by wetmethod afterSTIetch and grow s linear oxide.Highly controlled corner rounding radius and small divotdepth is achieved w ithouthigh temperature oxidation process.Thus it is free from defectsand undesirable stress.And now this process is applied to 0.13μmlogic process.The current leakage due to parasitic corner transistors ofSTI structure is effectively reduced and the reverse narrow channel effect is suppressed clearly.

STI;Nitridepullback;divot;reversenarrow channeleffect