14nm FinFET预览

2Pad Oxide Growth 3Pad Nitride Deposition 4Stop Oxide Deposition 5a-Si Hardmask Deposition

+12 步骤

工艺截面图

本步要点

在沉积过程中，热能驱动氢和氯物种的解吸，促进致密的 Si-N 网络形成，这在本质上会在沉积薄膜内引入较高的拉伸本征应力。

原理展开

在前一步骤中生长的衬垫氧化层（pad oxide）充当了关键的应变与应力缓冲层，以防止由于氮化硅薄膜的高本征拉应力导致机械缺陷（如裂纹、位错或堆垛层错）扩展到下方的硅衬底中。本步骤中沉积的衬垫氮化层（pad nitride）在 14nm FinFET 图形化工艺流程中发挥多种关键的集成功能 （工程实践）。首先，它作为后续浅沟槽隔离（STI）硅刻蚀工艺的稳健硬掩模。其次，它作为一种氧化阻挡掩模，防止顶部有源硅区域在后续的高温热处理步骤中发生氧化。第三，它在随后的 STI 化学机械平坦化（CMP）工艺中充当高选择性的抛光停止层，以保护有源硅沟道。此步骤完成后，工艺流程进入停止氧化层沉积（Stop Oxide Deposition）和非晶硅（a-Si）硬掩模沉积，为后续定义垂直鳍片的亚光刻图形化做好准备 （工程实践）。

衬垫氮化层的热沉积通常通过低压化

学气相沉积（LPCVD）执行。其核心化学机制涉及二氯硅烷（SiH2Cl2）和氨气（NH3）在垂直炉内高温下的热分解与反应 （工程实践）。该反应生成化学计量比的氮化硅（Si3N4），同时释放出氯化氢（HCl）和氢气（H2）作为挥发性气态副产物 （工程实践）。由于 LPCVD 在表面反应速率限制状态下运行，它确保了卓越的台阶覆盖率、高薄膜密度以及晶圆范围内出色的厚度均匀性 （工程实践）。在沉积过程中，热能驱动氢和氯物种的解吸，促进致密的 Si-N 网络形成，这在本质上会在沉积薄膜内引入较高的拉伸本征应力。

选择 LPCVD 热沉积而非等离子体增强化学气相沉积（PECVD），是因为热生长的 LPCVD 薄膜具有更优的密度、更低的湿法刻蚀速率，以及在后续图形化步骤中更高的化学稳定性。必须仔细优化工艺参数的相互作用方向，以管理薄膜质量和机械应力。提高沉积温度会加速表面反应动力学并增强氢解吸，这会增加薄膜密度和化学抗性，但也会增加本征拉应力并产生晶圆翘曲的可能性 （工程实践）。相反，降低热沉积温度会降低本征应力，但会导致薄膜密度降低，且含有更高的氢杂质，从而增加其在后续磷酸湿法刻蚀和 CMP 步骤中过早侵蚀的敏感性 （工程实践）。二氯硅烷与氨气的流量比也必须保持平衡，因为富硅薄膜虽然能降低拉应力，但在选择性湿法化学处理中刻蚀速率较高；而富氮薄膜则以增加裂纹风险为代价，实现了刻蚀抗性的最大化 （工程实践）。

在 14nm FinFET 节点，有源区由高深宽比的 3D 垂直鳍片而非平面衬底构成，因此管理薄膜应力和厚度均匀性至关重要 （工程实践）。源自衬垫氮化层的局部机械应力可能会沿着 <111> 滑移面诱发硅位错环，导致严重的应力诱导漏电流（SILC）和待机功耗退化。此外，由于后续的停止氧化层和非晶硅硬掩模沉积在该叠层上以实现自对准双重图形化（SADP），衬垫氮化层中的任何厚度变化或局部应力都可能转化为垂直轮廓畸变，例如鳍片弯曲或线边缘粗糙度 （工程实践）。因此，获得超均匀、低应力的热 LPCVD 衬垫氮化层是实现稳健的静电栅极控制和 14nm 以下均匀鳍片尺寸的先决条件 （工程实践）。

风险与挑战

[高] 应力诱导的位错形成与结漏电：化学计量比 LPCVD 氮化硅薄膜的高内禀拉应力会在有源区边缘界面产生巨大的集中机械应力。如果焊盘氧化层（pad oxide）缓冲层过薄，或者热预算控制不当，这种应力会诱导硅位错沿 <111> 滑移面扩展。当这些晶体缺陷与 14nm FinFET 的结耗尽区相交时，它们会充当高导电路径，从而显著增加应力诱导漏电流（SILC）并导致待机功耗恶化。
[高] 薄膜开裂与晶圆翘曲：由于化学计量比氮化硅具有高内禀拉应力，拉伸应变会随沉积薄膜的厚度增加而扩大。如果在沉积过程中没有采取应力缓解措施，累积的应力可能超过材料的临界断裂韧性，从而导致薄膜开裂。这种应力还会诱发严重的晶圆翘曲，导致后续光刻和反应离子刻蚀（RIE）过程中无法进行正常的静电吸附（electrostatic chucking），进而导致聚焦性能下降和晶圆搬运故障。
[中] 氧化层刻蚀停止不完全与衬底损伤：在随后的硬掩模图案化过程中，必须使用反应离子刻蚀（RIE）选择性地刻蚀焊盘氮化层，且不能穿透下方薄的焊盘氧化层。如果氮化层厚度均匀性较差，或者 RIE 工艺对 SiO₂ 的选择比不足，过刻蚀步骤会消耗焊盘氧化层并暴露有源硅衬底。这种暴露会导致有源鳍片区域受到直接的物理离子轰击损伤和化学污染，从而使亚阈值摆幅（subthreshold swing）和栅氧可靠性下降。
[中] STI CMP 期间的氮化层侵蚀与有源区碟形凹陷（Dishing）：在随后的 STI 化学机械平坦化（CMP）工艺中，焊盘氮化层充当主要的抛光停止层。如果由于氢含量过高或沉积温度过低导致氮化层薄膜呈非化学计量比密度，其机械硬度和耐化学性将受到影响。这会导致 CMP 过抛光期间氮化层加速侵蚀，引起沟槽氧化层填充的碟形凹陷、有源鳍片高度不均，以及管芯间阈值电压控制不佳。

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