等离子体加工对器件损伤的两种模式VIP免费

SemiconductorTechnologyVol.27No.5May2002691引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[1]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，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[2，3]。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最受关注的一个问题，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.Fonash[4]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以达到。一方面为了加工工艺的需要，在等离子体中等离子体加工对器件损伤的两种模式刘艳红1，赵宇1，王美田1，胡礼中1，马腾才2（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：等离子体损伤；器件的可靠性；半导体工艺中图分类号：TN305文献标识码：A文章编号：1003-353X(2002)05-0069-04TwomodesofdevicesdamageduringplasmaprocessingLIUYan-hong1，ZHAOYu1，WANGMei-tian1，HULi-zhong1，MATeng-cai2（1.Dept.ofPhys.,,2.StateKeyLab.forMater.Modify.byLaser,IonandElectronbeams,DalianUniv.OfTechnology.116024,China）Abstract:Twomodesofdevicesdamageduringplasmaprocessing:chargingdamageandradiationdamageareintroduced,andtheplasmaprocessanddamagetheoryarepresented.Keywords:plasma-induceddamage;devicereliability;semiconductortechnology可靠性与分析半导体技术第27卷第5期二OO二年五月70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以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，电子将以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、亚阈摆幅增大、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MOS器件普遍采用的“天线结构”[5]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大面积的引线区相连，这样大面积引线区上堆积的电荷直...