等离子体加工对器件损伤的两种模式.pdf

S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y V o l.2 7 N o.5M a y 2 0 0 2691 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 M O S 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.F o n a s h 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1 1 6 0 2 4）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：T N 3 0 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3-3 5 3 X(2 0 0 2)0 5-0 0 6 9-0 4T w o m o d e s o f d e v i c e s d a m a g e d u r i n g p l a s m a p r o c e s s i n gL I U Y a n-h o n g1，Z H A O Y u1，W A N G M e i-t i a n1，H U L i-z h o n g1，M A T e n g-c a i2（1.D e p t.o f P h y s.,2.S t a t e K e y L a b.f o r M a t e r.M o d i f y.b y L a s e r,I o n a n d E l e c t r o n b e a m s,D a l i a n U n i v.O f T e c h n o l o g y.1 1 6 0 2 4 ,C h i n a）A b s t r a c t:T w o m o d e s o f d e v i c e s d a m a g e d u r i n g p l a s m a p r o c e s s i n g:c h a r g i n g d a m a g e a n d r a d i a t i o nd a m a g e a r e i n t r o d u c e d,a n d t h e p l a s m a p r o c e s s a n d d a m a g e t h e o r y a r e p r e s e n t e d.K e y w o r d s:p l a s m a-i n d u c e d d a m a g e;d e v i c e r e l i a b i l i t y ;s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y可靠性与分析半导体技术第 2 7卷第 5期二 O O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M O S 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”。研究表明降低引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 0 0以下时影响已很小了。天线结构被广泛用来研究各种条件下（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。D o n g g u n.P a r k 6,7 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b是半导体导带与二氧化硅导带之间的能量差，VO X是栅氧化层上的压降。可见，当 VO X大于b时，栅氧化层泄漏电流是F o w l e r-N o r d h e i m 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定程度后，即使泄漏电流在同一数量级，较薄引入电场和磁场破坏了等离子体的均匀性；另一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 M O S 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，由此而引起的栅氧化层性能的退化甚至于失效被称为充电损伤。可靠性与分析S e m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y V o l.2 7 N o.5M a y 2 0 0 2713等 离 子 体 辐 射 损 伤3.1辐射损伤的机理半导体材料或器件受到射线、高能电子流及射线的辐照而引起的性能退化是器件可靠性研究的一个重要问题。一般地说辐射对材料或器件的影响主要包括两方面：(1)位移效应：辐射粒子与晶格上原子发生弹性碰撞，原子离开原来的位置，导致晶格的势能发生变化，在禁带中形成新的电子能级。它不仅成为复合中心，减少少子寿命，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 8（如图 5所示）：（1）当光子能量栅氧化层上的压降也较小，当这一压降低于b后，泄漏电流以直接隧穿电流为主。直接隧穿电子能量较低，不足以在栅氧化层中引入电荷,因此超薄栅氧化层抗等离子体充电损伤的能力增强了。2.4 充电效应对刻蚀的影响等离子体充电效应还能够导致刻蚀图形的畸变。等离子体刻蚀过程中，等离子体鞘层的存在使高能离子垂直入射于衬底表面，保证了各向异性良好的刻蚀结果，实现了高纵横比孔的刻蚀。但超大规模集成电路多层金属布线要求刻蚀绝缘介质层上的金属，在这一工艺过程中，充电效应导致刻蚀图形畸变，破坏了器件结构（如图 4所示）。由于进入等离子体鞘层的电子和离子的角分布不同，电子积聚在光阻层侧壁，而离子积聚在沟槽的底部。这种电荷分布使正离子偏离垂直入射的轨道，集中射向沟道壁的底部，最终在金属栅（或多晶硅栅）与二氧化硅层的界面处形成一凹口。这种损伤机制极大地限制了高纵横比孔的刻蚀，严重威胁了器件的可靠性。大于二氧化硅的禁带宽度（约 9 e V）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合，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合外，大部分被二氧化硅中空穴陷阱捕获。由于硅-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 M O S 器件阈值电压的漂移。（2）入射光子能量低于二氧化硅的禁带宽度，但大于 4.2 e V（硅衬底价带与二氧化硅导带间最小的能量差）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 S i 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量及通量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.C i s m a r u 9 等人探测了E C R 等离子体可靠性与分析半导体技术第 2 7卷第 5期二 O O二年 五月72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 2 1.2 e V 之间,足以引起上述两种辐射损伤。中心波长光子通量为表1 常用放电气体发射波长及能量放电气体波长/n m能量/e V中心波长光子通量1 01 2/c m2s总光子通量 1 01 2/c m2sH e 5 8.4 32 1.20.1 7 7 1.6 5N2 1 2 0.0 1 0.3 0.5 7 1 5.0 1 4 9.28.30.5 5O21 3 0.59.51.5 6 5.0 7N e7 3.5 9 1 6.8 1.6 5 4.2 8 7 4.3 71 6.70.4 9A r1 0 4.8 2 1 1.8 9.4 0 0.9 6 1 0 6.6 61 1.62 0.2K r1 1 6.4 8 1 0.6 6.1 6 2 6.2 1 2 3.5 8 1 01 3.6X e1 4 6.9 68.41 9.7 4 2.81 01 11 01 3/c m2s 量级，总光子通量为 1 01 4/c m2s量级，1 0 2 1.2 e V 的光子产生率在1 0-31 0-2量级，且产生率正比于光子能量与禁带宽度的差。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。重离子沾污也是一种重要的损伤模式，从器壁上溅射下来的重离子是其主要来源。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途径有：（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 1 V i s w a n a t h a n C R.P l a s m a i n d u c e d d a m a g e.M i c r o e l e c-t r o n i c E n g i n e e r i n g,1 9 9 9,4 9:6 5 8 1.2 W a d a n a b e T,Y o s h i d a Y.D i e l e c t r i c b r e a k d o w n o f g a t ei n s u l a t o r d u e t o r e a c t i v e i o n e t c h i n g.S o l i d S t a t eT e c h n o l o g y,1 9 8 4:2 6 3.3 T s u n o k u n i K,K u b o s h i m a S,H i r o b e K.T h e e f f e c t o f c h a r g eb u i l d u p o n g a t e o x i d e b r e a k d o w n d u r i n g d r y e t c h i n g.I n:E x t e n d e d A b s t r a c t o f I n t e r n a t i o n a l C o n-f e r e n c e o n S o l i d S t a t e D e v i c e s a n d M a t e r i a l s,1 9 8 7:1 9 5.4 F o n a s h S J e t.a l.A s u r v e y o f d a m a g e e f f e c t s i n p l a s m ae t c h i n g .S o l i d S t a t e T e c h n o l,1 9 9 4,3 7(7):9 9 1 0 7.5 F r i e d m a n n J B.e t a l .P l a s m a-p a r a m e t e r d e p e n d e n c e o ft h i n-o x i d e d a m a g e f r o m w a f e r c h a r g i n g d u r i n g e l e c t r o n-c y c l o t r o n-r e s o n a n c e p l a s m a p r o c e s s i n g .I E E E T r a n s a c-t i o n s o n S e m i c o n d u c t o r M a n u f a c t u r i n g ,1 9 9 7,1 0(1):1 5 4 1 6 6.6 C.L i n,H e t a l.O x i d e t h i c k n e s s d e p e n d e n c e o f p l a s m ac h a r g i n g d a m a g e .M i c r o e l e c t r o n i c s R e l i a b i l i t y ,1 9 9 9,3 9:3 5 7 3 6 4.7 S h u e g r a f K F,P a r k D,H u C .R e l i a b i l i t y o f t h i n S i O2 a td i r e c t-t u n n e l i n g v o l t a g e s .I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o n D e v i c eM e e t i n g T e c h n i c a l D i g e s t ,1 9 9 4,6 0 9 6 1 2.8 P a s k a l e v a A,A t a n a s s o v a E .E l e c t r i c a l s t r e s s a n d p l a s m a-i n d u c e d t r a p i n S i O2.M i c r o e l e c t r o n i c s R e l i a b i l i t y,2 0 0 0,4 0:9 3 3 9 4 0.9 C i s m a r u C,S h o h e t J L.P l a s m a v a c u u m u l t r a v i o l e t e m i s-s i o n i n a n e l e c t r o n c y c l o t r o n r e s o n a n c e e t c h e r.,.A p p l i e dp h y s i c s l e t t e r s ,1 9 9 9,7 4(1 8):2 5 9 9 2 6 0 1.(收稿日期：2 0 0 1 0 3 1 7)可靠性与分析