作者：Peter Singer, Semiconductor International

肯塔基大学（University of Kentucky）的研究人员展示了一种比较简单的快速热处理（RTP）和退火措施，可以延长常规栅介质的寿命，缓和对高k栅介质的需求。当栅介质变得越来越薄时，栅泄漏成为主要问题，以致于某些晶体管处于关态时的能耗几乎与处于开态时相当。可靠性的退化也是一个问题。

高k材料提供较大的电容和高有效氧化物厚度，使电荷更容易地从栅迁移到源/漏区。遗憾的是，虽然一些高k材料尤其是铬基硅酸盐已显露出希望，但是一些严重的整合问题仍然存在。这些造成了高阈值和平带电压偏移、低迁移率和金属/栅氧化物界面处费米能级的钉扎。

电气和计算机工程副教授zhi chen发现在氮和氚（D）中的RTP退火能改进栅绝缘体的绝缘质量，从而可使它们的直接隧穿电流减小10,000-100,000倍。研究人员发现RTP退火提高了以前未知的声子能量耦合效应（PECE）。

虽然在随后的工艺如光刻、溅射和采用了碱性化学药品的步骤之后，这种提高会很容易被损失掉，但是陈教授说这种技术仍适用于主流生产中。他说：“如果你不采用那些工艺（包括一些种类的光刻胶），你就会清晰地看到结果。”

PECE的发现来源于陈教授及其同事正在研究的Si-D键和Si-Si声子模式之间的能量耦合（固体材料中的声子模式包括横光和纵光（LO）部分的振荡，以及振动和弯曲模式。）的工作。他们发现同时采用RTP和D退火，可观察到Si-D、Si-Si 和Si-O键之间存在强烈耦合。当这种效应直接作用于氧化物（而不是作用于多晶硅/氧化物叠层）时，Si-D和Si-O键都急剧增强。这提高了氧化物结构的坚固性。栅泄漏电流在氧化物薄 (2.2 nm)时减少5个数量级，在氧化物厚(>3 nm)时减少2个数量级。击穿电压提高～30%。

在Applied Physics Letters发表的论文中，chen及其同事Jun Guo和 Fuqian Yang认为热诱发PECE效应可能是由热效应产生的氧化物微结构（应力和能带角度变化）的变化造成的。他们指出：“快速冷却(50℃/sec)可能保存氧化物的微结构变化，因为在缓慢升温 (0.33℃/sec) 和缓慢降温 (～0.1℃/sec)的炉子里进行退火的SiO2 /Si样品中，我们没有观察到PECE效应。我们还观察到如果氧化物厚度超过800A，则RTP之后不存在PECE效应。这表明PECE不可能存在于对热冲击具有更大承受力的多晶硅/氧化物叠层中。
这也解释了为什么尽管RTP是一个常规工艺，半导体行业以前没有发现这个效应。”

编辑注：有关振荡模式，请参阅Brian C. Smith, Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, CRC Press, 1996, 和Molecular Vibration and Absorption