等离子体加工对器件损伤的两种模式

二　等离子体加工对器件损伤的两种模式　刘艳红　，赵宇　，王美田　，胡礼中　，马腾才　（１大连理工大学物理系半导体教研室，　２三束材料改性国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４）　摘要：介绍了微细加工中等离子体工艺对器件的损伤　主要有两种损伤模式：充电效应引起的损伤　和辐射损伤。讨论了两种损伤模式的等离子体过程及损伤机制。　关键词：等离了　｛｛；ｉ伤　器件的可靠性；半导体工艺　中圄分类号：ＴＮ３０５　文献标识码：Ａ　文章编号：［００３．３５３Ｘ｛２００２）０５—００６９．０４　Ｔｗｏ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｄａｍａｇｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｐｌａｓｍａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＬＩＵ　Ｙａｎ—ｈｏｎｇ　，ＺＨＡＯ　ＹＵ　，ＷＡＮＧ　Ｍｅｉ—ｔｉａｎ　ｒ　ＨＵ　Ｌｉ－ｚｈｏｎｇ　，ＭＡ　Ｔｅｎｇ—ｃａｉ　Ｉ　１　Ｄｅｐｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓ，　２　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ．ｆｏｒ　Ｍａｔｅｒ　Ｍｏｄ砖　ｂｙ　Ｌａｓｅｒ　Ｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｅａｍｓ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖ　Ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｄａｍａｇｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｐｌａｓｍａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｆｉｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｄａｍａｇｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｍａ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｄａｍａｇｅ；ｄｅｖｉｃｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１　弓Ｉ言　随着超大规模集成电路的发展，等离子体技　术在半导体工艺中的应用日益增多，由等离子体　工艺对器件损伤而引起的可靠性问题…在八十年代　就已提出来。当器件尺寸进入深亚微米量级以　后，这一问题变得更加突出，它不仅严重影响器　件性能及可靠性，还造成器件永久失效，降低了　成品率，增加了生产成本。等离子体是物质的第　四态，由大量正、负带电粒子及高能光子组成。　置于其中的被加工衬底一方面受到光子的辐射，　积，导致高密度等离子体的应用日益增多，加重　了等离子体加工对器件损伤的程度ｌ　－”。一般地　说，等离子体工艺对器件的损伤主要由充电效应　与辐射效应引起。　２　充电效应对器件的损伤　２．１充电效应对器件损伤的机理　等离子体充电效应引起的器件性能退化及可靠　性降低是近十几年来微电子器件加工工艺中虽受关　注的一个问题，问题的中心是ＭＯＳ结构薄栅氧化　膜在充电电荷作用下性能退化甚至于失效。ｓ．Ｊ　Ｆｏｎａｓｈｔ　等人的研究表明引起充电效应的根本原因　是等离子体的非均匀性。等离子体中含有等量的　正、负带电粒子，由于电子质量小，运动速度远　另一方面在绝缘衬底表面容易形成电荷积累。器　件尺寸进入深亚微米量级以后，结构上采用多层　金属布线解决金属化问题，工艺上则需要在等离　子中经过多次金属刻蚀、绝缘介质沉积和具有高　纵横比孔的刻蚀，也就是说随着器件尺寸的减　小，等离子体技术在半导体工艺中所占的比重越　来越大。同时由于深亚微米器件对工艺的要求更　加苛刻，如需要对大纵横比孔进行刻蚀及材料淀　Ｍａｙ　２００２　大于离子的运动速度，可在引入其中的栅氧化层　表面建立负电势，直到电子电流和离子电流相　等，这时没有电荷积累，这是在理想的均匀等离　子体中的情形。实际上等离子体的均匀性难　达　到。一方面为了加工工艺的需要，在等离子体中　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｖｂｊ　２７Ｎｏ　５　６９　维普资讯 http://www.cqvip.com

—■簟嘲引入电场和磁场破坏了等离子体的均匀性；另一　￣ｌｉａｂｉｌｉ　丑　方面在十几英寸的被加工芯片表面保持等离子体的　均匀性也是一件困难的事。因此总是存在局部电　子电流和离子电流的不相等（如图１所示），结　果在ＭＯＳ结构绝缘栅表面形成电荷积累，此即为　等离子体加工中的充电过程，由此而引起的栅氧　Ｓｉ　ｇａｔｅＳｉｑ　图２无线结构示意图　化层性能的退化甚至于失效被称为充电损伤。　Ｉ　ｄ二　Ｉ　＞ｌ　大面积的引线区相连，这样大面积引线区上堆积　的电荷直接作用在小面积的薄栅氧化层上，加重　了充电效应对栅氧化层的损伤，造成栅氧化层击　穿或性能退化。这样的结构被形象地称为“天　线”。　研究表明降低　『线区与有源区面积之比　（天线比），充电效应将减弱，当比值降到１　００　以下时影响已很小了。天线结构被广泛用来研究　Ｊ　』　虽　图１等离子体非均匀性引起电荷充电示意图　各种条件下（选用不同的天线比）等离子体充电　效应对器件的影响；而采用较小的有源区面积，　可研究氧化层的本征击穿。　２．３充电损伤与氧化层厚度的关系　充电效应对器件损伤的程度与薄氧化层的厚度　有关。Ｄｏｎｇｇｕｎ、Ｐａｒｋｔ　】等人的研究发现，栅氧化　层厚度较大时（约大于５纳米），随着充电电压　的增大，栅氧化层受损伤的程度加大；而当栅氧　厚度降至约３纳米以下时，损伤程度不随充电电压　而变，表明栅氧化层厚度进一步减小后，抗等离　子体充电损伤的能力提高了。这是由通过栅氧化　层隧穿电流的性质决定的。如图３所示。图中　是半导体导带与二氧化硅导带之间的能量差，ｙ　是栅氧化层上的压降。可见，当　大于　时，　栅氧化层泄漏电流是Ｆｏｗｌｅｒ．Ｎｏｒｄｈｅｉｍ隧穿电流，　反之则是直接隧穿电流。当栅氧化层厚度降低到　一充电损伤又分为电压型和电流型。深亚微米　器件栅氧化层的厚度只有几个纳米，如果充电电　荷总量使栅氧化层上的压降达到几伏，那么氧化　层中的电场就足　引起氧化层静电击穿，这种失　效模式即为电压型。电压型模式将造成器件永久　性失效。如果薄氧化层上的压降足够大，在达到　击穿电场之前，电子将　Ｆ．Ｎ隧穿电流的形式通过　氧化层，其大小为等离子体中电子电流与离子电　流之差。Ｆ．Ｎ隧穿电子具有较高的能量，能够激　发氧化层价带中的电子进入导带，或者激发中性　陷阱中的电子，从而产生氧化物电荷、氧化物陷　阱电荷及界面陷阱电荷、界面态等，由此而造成　氧化层性能退化被称为氧化层的损耗，这种损伤　模式即为电流型　从器件水平考虑，充电效应使器件参数恶　化：氧化层损耗使平带电压漂移、阈值电压漂　移、栅氧化层泄漏电流增大、氧化层击穿电压降　低；界面态的产生使跨导降低、亚闽摆幅增大、　对热载流子的敏感性增加、低频噪声增大。　２．２天线结构的影响　ＭｅＳ器件普遍采用的“天线结构”　使电荷　充电效应更加突出（如图２所示）。有源区上薄　栅氧化层上的栅电极面积很小，为了与外界相　连，栅电极必须与一覆盖于厚氧化层上且具有较　７ｏ半导掉技术摹２７善摹５期　定程度后，即使泄漏电流在同一数量级，较薄　（ａ）Ｆｏｗｌｅｒ・Ｎｏｒｄｈｅｉｍ隧穿电流　【ｂ　直接隧穿电流　图３隧穿电流示意图　二ｏｏ二年五丹　维普资讯 http://www.cqvip.com

￣￣［ｉａｂｉ（ｉｔｙ　Ａｎａ　Ｆ　而且成为少子陷阱．降低电导率；成为散射中　心，使载流子迁移率下降。（２）电离效应：辐　射粒子把能量传递给电子，电子一旦获得足够的　能量可离开原来的轨道，成为自由电子，形成电　子　空穴对，使绝缘材料的电导率升高。　等离子体加工中辐射对器件的损伤主要表现在　栅氧化层性能的退化，按照入射光子能量不同分　为两种情况…（如图５所示）：（１）当光子能量　图５　ＭＯＳ结构能带示意图　‘　９ｅＶ｛　巨　『　４　２ｅＶ　大于二氧化硅的禁带宽度（约９ｅＶ）时，二氧化　硅价带中的电子吸收入射光子能量后跃迁至导带，　产生一个电子空穴对。若二氧化硅中没有电场，　则产生的电子空穴对很快复台，不会产生什么影　响；若金属栅极上加有正电压，则在电场的作用　下，电子向金属栅极运动，离子向衬底方向漂　移。由于电子的迁移率很大，大部分电子很快通　过金属栅极离开氧化层，而离子除小部分与电子　复台外，大部分被二氧化硅中空穴陷阱捕获。由　于硅一二氧化硅界面处电子势垒很高，硅不能向二　氧化硅中提供电子，这样就在二氧化硅中靠近硅　界面处形成正电荷积累，造成ＭＯＳ器件闽值电压　的漂移。（２）入射光子能量低于二氧化硅的禁带　宽度－但大于４．２ｅＶ（硅衬底价带与＝氧化硅导　带间晟小的能量差）则光子通过二氧化硅注入衬　底中，引起光电子发射。发射的光电子进入二氧　化硅后可以参与以下几个过程：（１）与正电荷复　合，减少氧化层中正电荷密度；（２）引起弱键　断裂（如ｓｉ—Ｈ键）；（３）重新激发已注入并被　复合的电子，导致界面陷阱的产生。　３．２等离子体中辐射光子能■及通■　等离子体对半导体器件的辐射损伤主要与光子　能量有关，Ｃ．Ｃｉｓｒｎａｒｕ［９］等人探测了ＥＣＲ等离子体　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ￣ｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．２７Ｎｏ．５　７１　维普资讯 http://www.cqvip.com

￣ｌｉａｂｉｌｉｔＪ　Ａｒｉａ　１０‘　，ｃｍ　ｓ量级，总光子通量为１０　／ｃｍ　Ｓ量级，　１０～２１．２ｅＶ的光子产生率在１０。～１０。２量级，且　产生率正比于光子能量与禁带宽度的羞。　的发射光谱，如表１所示　可见常见的几种放电　气体发射光的能量在８．４～２１．２ｅＶ之间，足　引起　上述两种辐射损伤。中心波长光子通量为１Ｏ“～　表１常用放电气体发射波长及能■　放电气体　Ｈｅ　Ｎ２　波长／ｉｒｍ　５８　４３　ｌ２０．０　１４９　２　能量／ｅＶ　２１＿２　ｌ０　３　８　３　９　５　１６．８　ｌ６　７　ｌｌ　８　中心波长光子通量×１０　／ｃｍ　ｓ　总光子通量×ｌ０。　ｃｍ　ｓ　０．Ｉ７７　０　５７　０．５５　Ｉ．５６　１　６５　０　４９　９　４０　０９６　５　０７　４　２８　ｌ　６５　ｌ５　０　Ｏ２　Ｎｅ　Ｉ３ｏ　５　７３　５９　７４　３７　Ａｒ　ｌ０４　８２　ｌ０６．６６　Ｋｒ　ｌｌ６４８　ｌ２３　５８　Ｘｅ　１４６　９６　ｌＩ　６　ｌ０．６　ｌ０　８．４　２０．２　６　Ｉ６　ｌ３　６　ｌ９　７　４２　２６　２　Ｉｎ：Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　ｏｆ　１ｒｉｔｅｒｎａｔｉ０ｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｔｉｃｅ　ｏｎ　４　小结　本文介绍了等离子体加工对器件损伤的两种主　要模式：充电损伤及辐射损伤。重离子沽污也是　一Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｉｓ，Ｉ９８７　１９５　【４ｌ　Ｆｏｎａｓｈ　Ｓ　Ｊ　ｅｔ．ａｌ　Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｄａｍａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｐｌａｓｍａ　ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ，１９９４．３７（７）：９９～１０７　种重要的损伤模式，从器壁上溅射下来的重离　【５］　Ｆｒｉｅｄｍａｎｎ　Ｊ　Ｂ　ｅｌⅡ，Ｐｌａｓｍａ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｎ—－ｏｘｉｄｅ　ｄａｍａｇｅ　ｆｒｏｍ　ｗａｆｅｒ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｄｕｒｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ—－　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ—ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｐｌａｓｍａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ—　子是其主要来源。重离子可在半导体中引入深能　级．严重影响少子寿命，进而影响器件性能。解　决等离子体加工对器件损伤问题的选径有：（１）　提高等离子体的均匀性：（２）提高栅氧化膜抗等　离子体损伤的能力．如氮氧硅膜抗等离子体损伤　的能力就高于氧化硅膜。总之，等离子体加工对　器件的损伤成为当今器件可靠性研究的重要内容，　对深亚微米器件的进一步发展意义重大。　参考文献　【１ｌ　Ｖｉｓｗａｎａｔｅｎ　ｃ　Ｒ．Ｐｌａｓｍａ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｄａｍａｇｅ　Ｍｉｈｃｒｏｅｌｅｃ—　ｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１９９９　４９：６５～８１　８　ｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．１９９７．１０（Ｉ１：ｌ５４～　ｌ６６　［６１　Ｃ　Ｌｉｎ，Ｈ　ｅｌⅡ，Ｏｘｉｄｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｌａｓｍａ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｊｃ　ｓ　Ｒｅｔｉａｂｉｌｉｔｙ．１９９９．　３９：３５７～３６４　７　Ｓｈｕｅｇｒａｆ　Ｋ　Ｆ，Ｐａｒｋ　Ｄ，Ｈｕ　Ｃ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｎ　ＳｉＯ２　ａｔ　ｄｉｒｅｃｔ—ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ，１９９４，６０９￣６１２　Ｐａｓｋａｌｅｖａ　Ａ，Ａｔａｎａｓｓｏｖａ　Ｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｌａｓｍａ—　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｔｒａｐ　ｉｎ　ＳｉＯ２　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｒｅｌｉａｂｉ］ｉｔｙ，２０００，　ｆ２１　Ｗａｄａｎａｂｅ　Ｔ－Ｙｏｓｈｉｄａ　Ｙ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｏｆ　ｇａｔｅ　ｉｎ　ｓｕｌａｔｏ　ｒ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ　Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　９　４０：９３３～９４０　Ｃｉｓｍａｒｕ　Ｃ，Ｓｈｅｈｅｔ　Ｊ　Ｌ　Ｐｌａｓｍａ　ｖａｃｕｕｍ　ｕｌｔｒａｖｉｏ］ｅｔ　ｅｍｉｓ．　ｓｉｏｎ　ｉｎ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｅｔｃｈｅｒ．，．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８４：２６３　ｆ３１　Ｔｓｕｎｏｋｕｎｉ　Ｋ，Ｋｕｂｏｓｈｉｍａ　Ｓ　Ｈｉｒｏｂｅ　Ｋ　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｂｕｉｌｄ　ｕｐ　ｏｎ　ｇａｔｅ　ｏｘｉｄｅ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｒｙ　ｅｔｃｈｉｎｇ．　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ．１９９９．７４（Ｉ８）：２５９９￣２６０１．　（收稿日期≈２００１０３１７）　７２半导肆技术苇２７卷苇５期　二ＯＯ二年ｉＡ