作者：Peter Singer, Semiconductor International

肯塔基大學（University of Kentucky）的研究人員展示了一種比較簡單的快速熱處理（RTP）和退火措施，可以延長常規柵介質的壽命，緩和對高k柵介質的需求。當柵介質變得越來越薄時，柵泄漏成為主要問題，以致于某些晶體管處于關態時的能耗幾乎與處于開態時相當。可靠性的退化也是一個問題。

高k材料提供較大的電容和高有效氧化物厚度，使電荷更容易地從柵遷移到源/漏區。遺憾的是，雖然一些高k材料尤其是鉻基硅酸鹽已顯露出希望，但是一些嚴重的整合問題仍然存在。這些造成了高閾值和平帶電壓偏移、低遷移率和金屬/柵氧化物界面處費米能級的釘扎。

電氣和計算機工程副教授zhi chen發現在氮和氚（D）中的RTP退火能改進柵絕緣體的絕緣質量，從而可使它們的直接隧穿電流減小10,000-100,000倍。研究人員發現RTP退火提高了以前未知的聲子能量耦合效應（PECE）。

雖然在隨后的工藝如光刻、濺射和采用了堿性化學藥品的步驟之后，這種提高會很容易被損失掉，但是陳教授說這種技術仍適用于主流生產中。他說：“如果你不采用那些工藝（包括一些種類的光刻膠），你就會清晰地看到結果。”

PECE的發現來源于陳教授及其同事正在研究的Si-D鍵和Si-Si聲子模式之間的能量耦合（固體材料中的聲子模式包括橫光和縱光（LO）部分的振蕩，以及振動和彎曲模式。）的工作。他們發現同時采用RTP和D退火，可觀察到Si-D、Si-Si 和Si-O鍵之間存在強烈耦合。當這種效應直接作用于氧化物（而不是作用于多晶硅/氧化物疊層）時，Si-D和Si-O鍵都急劇增強。這提高了氧化物結構的堅固性。柵泄漏電流在氧化物薄 (2.2 nm)時減少5個數量級，在氧化物厚(>3 nm)時減少2個數量級。擊穿電壓提高～30%。

在Applied Physics Letters發表的論文中，chen及其同事Jun Guo和 Fuqian Yang認為熱誘發PECE效應可能是由熱效應產生的氧化物微結構（應力和能帶角度變化）的變化造成的。他們指出：“快速冷卻(50℃/sec)可能保存氧化物的微結構變化，因為在緩慢升溫 (0.33℃/sec) 和緩慢降溫 (～0.1℃/sec)的爐子里進行退火的SiO2 /Si樣品中，我們沒有觀察到PECE效應。我們還觀察到如果氧化物厚度超過800A，則RTP之后不存在PECE效應。這表明PECE不可能存在于對熱沖擊具有更大承受力的多晶硅/氧化物疊層中。
這也解釋了為什么盡管RTP是一個常規工藝，半導體行業以前沒有發現這個效應。”

編輯注：有關振蕩模式，請參閱Brian C. Smith, Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, CRC Press, 1996, 和Molecular Vibration and Absorption