文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

側(cè)墻工藝是半導(dǎo)體制造中形成LDD結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，能有效抑制熱載流子效應(yīng)。本文從干法刻蝕原理出發(fā)，深度解析側(cè)墻材料從單層SiO?到ONO三明治結(jié)構(gòu)及雙重側(cè)墻的迭代演進(jìn)，揭示先進(jìn)制程下保障器件可靠性與性能的核心邏輯。

側(cè)墻工藝是半導(dǎo)體制造中用于形成輕摻雜漏（LDD）結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。在器件尺寸不斷縮小的過程中，漏極電壓升高會(huì)導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度增加，載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下形成高能熱載流子，進(jìn)而引發(fā)熱載流子注入效應(yīng)，這是導(dǎo)致器件和芯片失效的常見誘因。為降低漏極與襯底PN結(jié)附近的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，研發(fā)人員引入了LDD結(jié)構(gòu)，即在漏極與溝道之間形成一層很薄的輕摻雜區(qū)。側(cè)墻工藝的作用正是在LDD離子注入后，制造出掩蔽層以防止后續(xù)重?fù)诫s的源漏離子注入影響輕摻雜區(qū)域。從器件剖面圖可見，LDD結(jié)構(gòu)位于側(cè)墻正下方，側(cè)墻能夠有效掩蔽LDD結(jié)構(gòu)，且該工藝不需要掩模版，成本較低、流程簡(jiǎn)單。

側(cè)墻的形成基于各向異性的干法刻蝕回刻技術(shù)。首先淀積厚度為S1的介質(zhì)層，多晶硅柵的厚度為S2，其側(cè)面介質(zhì)層總厚度為S1+S2。干法刻蝕方向垂直向下，刻蝕停止于硅表面，刻蝕厚度即為S1，因此多晶硅柵側(cè)面剩余的介質(zhì)層厚度為S2，最終形成側(cè)墻結(jié)構(gòu)。側(cè)墻的橫向側(cè)面寬度略小于S1，該寬度決定了LDD結(jié)構(gòu)的橫向尺寸，由淀積的介質(zhì)層厚度決定。

側(cè)墻刻蝕工藝流程

側(cè)墻刻蝕的典型流程如下：先沉積介質(zhì)層，隨后進(jìn)行各向異性的干法刻蝕回刻，刻蝕方向垂直向下，停止于硅表面。側(cè)墻的厚度由沉積的介質(zhì)層厚度決定。針對(duì)側(cè)墻刻蝕工藝，主要反應(yīng)氣體包括C4F8、CH3F、CH2F2、CHF3、CF4等，同時(shí)需添加稀釋氣體如O2、Ar和He。對(duì)于由二氧化硅和氮化硅組成的ON側(cè)墻，通常使用含氫的碳氟化合物氣體（如CH3F、CH2F2、CHF3）進(jìn)行刻蝕。

在0.8μm及以下的工藝技術(shù)中，淀積的隔離側(cè)墻介質(zhì)層為二氧化硅，常用TEOS（四乙基氧化硅）發(fā)生分解反應(yīng)生成，厚度約2000?。TEOS的臺(tái)階覆蓋率良好，隨后利用干法刻蝕形成側(cè)墻。

側(cè)墻介質(zhì)材料的技術(shù)迭代

隨著特征尺寸不斷縮小，側(cè)墻介質(zhì)層材料經(jīng)歷了多次更新迭代。對(duì)于0.8μm及以下工藝，使用單層二氧化硅即可滿足要求。當(dāng)特征尺寸降至0.35μm以下時(shí)，單層二氧化硅已無法滿足器件電性能需求，需采用二氧化硅和氮化硅（SiO2/Si3N4，ON）雙層組合結(jié)構(gòu)。其原因有二：其一，單層刻蝕時(shí)沒有停止層，易損傷硅襯底，而雙層結(jié)構(gòu)中下層可作為刻蝕停止層；其二，深亞微米下柵極與漏極接觸填充金屬距離很近，二氧化硅隔離效果不足，氮化硅具有更好的電隔離特性。典型工藝為先LPCVD淀積約200?二氧化硅作為應(yīng)力緩解層，再淀積約1500?氮化硅。

當(dāng)特征尺寸進(jìn)入0.18μm及以下，雙層側(cè)墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新問題：厚度較大的氮化硅會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，使器件發(fā)生應(yīng)變，導(dǎo)致飽和電流減小、漏電流增大。為此引入三明治結(jié)構(gòu)（SiO2/Si3N4/SiO2，ONO），即先淀積約200?二氧化硅、再淀積約400?氮化硅、最后用TEOS生成約1000?二氧化硅。該結(jié)構(gòu)通過減薄氮化硅并由兩層二氧化硅控制應(yīng)力影響。

當(dāng)特征尺寸達(dá)到90nm及以下時(shí)，柵極與漏極間的寄生電容Cgd逐漸增大并影響器件速度。為增大柵極與漏極LDD結(jié)構(gòu)的距離，采用雙重側(cè)墻技術(shù)：先淀積約50?二氧化硅和約150?氮化硅，刻蝕形成第一重側(cè)墻，進(jìn)行LDD離子注入；隨后再淀積ONO三明治結(jié)構(gòu)作為第二重側(cè)墻。第二重側(cè)墻的典型工藝為L(zhǎng)PCVD淀積約150?二氧化硅、約350?氮化硅、約1000?二氧化硅，依次刻蝕形成最終結(jié)構(gòu)。

側(cè)墻工藝隨晶體管尺寸縮小而不斷演進(jìn)，其介質(zhì)材料經(jīng)歷了從單層二氧化硅、雙層二氧化硅/氮化硅、ONO三明治結(jié)構(gòu)到雙重側(cè)墻的演變過程。