文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文介紹了芯片制造中的等離子氮化工藝 。

在5納米以下的芯片制程中，晶體管柵極介質(zhì)層的厚度已縮至1納米以下（約5個原子層）。此時，傳統(tǒng)二氧化硅（SiO?）如同漏水的薄紗，電子隧穿導(dǎo)致的漏電功耗可占總功耗的40%。

而解耦等離子體氮化（DPN）技術(shù)通過向氧化層精準(zhǔn)注入氮原子，構(gòu)建出一道“納米防盜網(wǎng)”，既堵住了電子泄漏的通道，又為芯片性能開辟新徑。

一、什么是DPN？

DPN（Decoupled Plasma Nitridation，解耦等離子體氮化）是一種低溫等離子體表面處理技術(shù)，核心原理是將氮原子以可控方式注入柵極氧化層，形成富氮界面。與傳統(tǒng)熱氮化不同，DPN的“解耦”特性體現(xiàn)在：

能量解耦：等離子體能量獨(dú)立控制（通常100-500W），避免高能粒子損傷硅襯底。

空間解耦：通過磁場約束等離子體，使氮原子主要富集在氧化層上表面而非硅/氧化物界面，保護(hù)載流子遷移率。

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：

氮濃度：精準(zhǔn)控制在5-10原子百分比（超過15%會引發(fā)界面缺陷）。

厚度極限：可實(shí)現(xiàn)≤10埃（1納米）的超薄膜處理，是5nm以下節(jié)點(diǎn)的必備工藝。

二、DPN工藝流程

以28nm HKMG（高k金屬柵）工藝為例，DPN的關(guān)鍵步驟如下：

氧化層生長

在硅襯底上ISSG生長一層較薄二氧化硅層，作為氮化基底。

等離子體氮化

氣體環(huán)境：通入N?/HN3（主氣體）、Ar（稀釋氣體），壓力35-70 mTorr。等離子激活：射頻電源（200-600W）電離氣體，生成高活性氮離子（N?）。氮滲透：氮離子穿透SiO?表層，在距上表面0.5 nm內(nèi)形成富氮區(qū)。

氮化后退火（PNA）

在同一真空腔體內(nèi)快速退火（600-800℃），驅(qū)動氮原子均勻擴(kuò)散，修復(fù)晶格損傷，并下降界面態(tài)的密度。

三、DPN在柵極氮化中的四大作用

1.提高介電常數(shù)（k值）：氮原子替換SiO?中的氧原子后，形成Si-N鍵（極性高于Si-O鍵），使k值從3.9提升至4.5-7.0。同等電容下，物理厚度可增加20%，直接抑制量子隧穿效應(yīng)。

2.抑制柵極漏電流：在1 nm氧化層中，DPN摻氮使漏電流從1000 A/cm2降至10 A/cm2（降低99%）。原理在于氮原子抬高了SiO?的導(dǎo)帶能壘，電子需更高能量才能隧穿。

3.阻擋摻雜劑擴(kuò)散：PMOS柵極的硼原子易穿透SiO?導(dǎo)致閾值電壓漂移。氮化層如同“原子濾網(wǎng)”，使硼擴(kuò)散系數(shù)降低103倍，保障器件長期穩(wěn)定性。

4.優(yōu)化界面態(tài)：通過控制氮峰值位置（距界面>0.3 nm），避免氮原子破壞硅懸掛鍵，保持電子遷移率較大。

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