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等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻对GOI/TDDB的影响

  • 分类:技术支持
  • 作者:等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
  • 来源:
  • 发布时间:2020-12-04
  • 访问量:

【概要描述】栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity,GOI)一般指对栅极氧化硅电容在恒定电压下的经时击穿(TDDB)测试。随着MOS电路尺寸的不断缩小,栅氧化层越来越薄,而电源电压的降低并不能和栅氧减薄同步,这使得栅氧化层需要工作在较高的电场强度下。栅氧化层的击穿是影响MOS器件可靠性的重要模式。通常氧化层的绝缘击穿是在高电压下瞬时发生的,而实际上,即使所加电压低于临界击穿电场,经过一段时间后也会发生击穿,这就是氧化层的经时击穿。大量实验表明,这类击穿与外加应力和时间有密切关系。在HKMG技术中,栅极电介质由high-k材料氧化铪代替原先的氧化硅,GOI就改称为GDI(Gate Dielectric Integrity)。   实际CMOS器件栅氧化层中会有各种缺陷,包括等离子清洗机等离子设备氧化层沉积时产生或后续工艺引入的陷阱电荷、可移动离子、针孔、硅微粒、粗糙界面、局部厚度变薄等,这些物理缺陷是氧化层的薄弱处,在一定电和热应力作用下将导致电介质击穿,是TDDB产生的主要原因。而通过改进等离子清洗机等离子设备工艺、原材料,可以减小随机缺陷的影响,使氧化层击穿主要由材料性质决定,这时的失效属于本征失效,是各类等离子清洗机等离子设备研究的重点。一股认为在恒定电压下,介电材料与栅极或硅基底之间界面上的键断裂,生成陷阱,随即发生空穴俘获和电子俘获。在经历相对较长时间的退化后,电子俘获持续进行直到局部的焦耳热在介电材料中形成导电熔丝,使得栅电极与硅基底之间发生短路,即阴极与阳极短路,导致电介质层被击穿。   精准描述栅氧化层击穿的完整统一模型至今未能得到,但有两个经验模型被广泛用于描述氧化物电介质层的TDDB失效机制,一个是基于电场驱动理论的E模型,另一个是基于电 流驱动理论的1/E模型。   E模型又称为热化学模型。该模型认为低场强、高温度下发生TDDB的原因是电场增强了介电材料原子键的热断裂,所加电场使极性分子键伸长,从而使键变弱,在标准玻尔兹曼热过程中更容易破坏。由于电场的存在减小了分子键断裂的澈活能,所以退化率以电场的指数形式增长。当断裂键或渗流点的局部密度足够高时,便形成从阳极到阴极的导电通路,这时发生失效,对应的时间即为失效时间。失效时间与退化率为逆关系,因此是随电场强度指数减小的,具体表达形式为   TF=A0exp(-ϒEox)exp(Ea/kBT)        (7-10)   其中,ϒ为电场加速因子;Eox为氧化物电介质层内电场强度;Ea为激活能;kB为玻尔兹曼常数;A0为与材料和工艺相关的系数,不同的器件其值不一样,A0的性质使TF成为一个分布,—般为威布尔分布。   1/E模型又称为阳极空穴注入模型。该模型认为在外加电场下,由Fowler-Nordheim(FN)隧穿效应注入的电子从阴极向阳极做加速运动,穿过电介质层,使电介质层受到损伤。而且,当被加速电子到达阳极,在阳极界面的硅中通过碰撞电离产生电子空穴对,其中一些高能量空穴又注入氧化层的价带,在电场的作用下,这些空穴迁移回阴极界面,从而导致氧化层的退化,并被击穿。电子与热空穴都是FN隧穿效应的结果,失效时间与电场强度的倒数之间的指数关系为   F=A0exp(G/Eox)exp(Ea/kBT)    (7-11)   其中,G为温度相关参数,其余参数同式(7-10)。   对于超薄(<40Å)SiO2电介质层的TDDB失效,可采用幂律电压模型,该模型认为,由于电介质层很薄,缺陷的产生正比于直接隧穿栅氧化层的电子导致的氢释放,从而测量到的缺陷产生率是加在栅氧化层上电压的幂函数。因而失效时间与电压的关系为   TF= B0V-n         (7-12)   当氧化层足够薄时,缺陷的产生率和氧化层的厚度无关,但导致氧化层击穿的临界缺陷密度强烈依赖于氧化层的厚度。   对于low-k材料TDDB,还有相应的根号E模型。比较各种模型对同一组加速TDDB测试数据的拟合曲线。在高电场强度范围内的数据点﹐所有模型都很好的拟合,然而,当外推到低电场强度时,4个模型相差很大,其中E模型外推的失效时间短,而1/E模型长,这说明E模型保守,1/E模型激进。   在等离子清洗机等离子设备CMOS工艺流程中,与栅氧化层相关的等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻工艺有有等离子清洗机等离子设备源区蚀刻、等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻、等离子清洗机等离子设备侧墙蚀刻等,在HKMG技术中还有伪栅蚀刻。这些步骤有可能对栅氧化层TDDB产生影响。文献也报道了圆滑的AA上部转角对改善栅极氧化层TDDB有非常大的帮助,其通过在等离子清洗机等离子设备SiN硬掩膜蚀刻步骤后引入额外一步顶部圆滑工艺步骤来达到此目的, 得到的AA转角呈理想的弧形。   等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻中,如果等离子体不均匀就会导致局部区域电子流或离子流从栅极侧面损伤栅氧化层,降低栅氧化层质量,进而影响TDDB性能。Lee等人发现栅极形貌对TDDB也有影响,带突出脚(foot)的栅极形貌比笔直的栅极或者内凹的栅极在栅氧化层TDDB性能上要差,原因是等离子清洗机等离子设备高能离子注入时离子会透过栅极突出脚进入栅极氧化层,导致氧化层损伤。   Li等发现由于侧墙尺寸太小导致栅氧化层击穿,而这是由侧墙蚀刻尺寸的不均匀性造成,Mahesh等发现在侧墙蚀刻后去除聚合物残留的工艺步骤中,相比于等离子清洗机等离子设备H2/N2气体组合的等离子体,O2/N2的等离子体能明显改善TDDB。他们认为是等离子清洗机等离子设备O2/N2有更强的聚合物去除能力,因而给后续的湿法清洗留出了足够的工艺窗口来减少侧墙损耗。  

等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻对GOI/TDDB的影响

【概要描述】栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity,GOI)一般指对栅极氧化硅电容在恒定电压下的经时击穿(TDDB)测试。随着MOS电路尺寸的不断缩小,栅氧化层越来越薄,而电源电压的降低并不能和栅氧减薄同步,这使得栅氧化层需要工作在较高的电场强度下。栅氧化层的击穿是影响MOS器件可靠性的重要模式。通常氧化层的绝缘击穿是在高电压下瞬时发生的,而实际上,即使所加电压低于临界击穿电场,经过一段时间后也会发生击穿,这就是氧化层的经时击穿。大量实验表明,这类击穿与外加应力和时间有密切关系。在HKMG技术中,栅极电介质由high-k材料氧化铪代替原先的氧化硅,GOI就改称为GDI(Gate Dielectric Integrity)。

 

实际CMOS器件栅氧化层中会有各种缺陷,包括等离子清洗机等离子设备氧化层沉积时产生或后续工艺引入的陷阱电荷、可移动离子、针孔、硅微粒、粗糙界面、局部厚度变薄等,这些物理缺陷是氧化层的薄弱处,在一定电和热应力作用下将导致电介质击穿,是TDDB产生的主要原因。而通过改进等离子清洗机等离子设备工艺、原材料,可以减小随机缺陷的影响,使氧化层击穿主要由材料性质决定,这时的失效属于本征失效,是各类等离子清洗机等离子设备研究的重点。一股认为在恒定电压下,介电材料与栅极或硅基底之间界面上的键断裂,生成陷阱,随即发生空穴俘获和电子俘获。在经历相对较长时间的退化后,电子俘获持续进行直到局部的焦耳热在介电材料中形成导电熔丝,使得栅电极与硅基底之间发生短路,即阴极与阳极短路,导致电介质层被击穿。

 

精准描述栅氧化层击穿的完整统一模型至今未能得到,但有两个经验模型被广泛用于描述氧化物电介质层的TDDB失效机制,一个是基于电场驱动理论的E模型,另一个是基于电 流驱动理论的1/E模型。

 

E模型又称为热化学模型。该模型认为低场强、高温度下发生TDDB的原因是电场增强了介电材料原子键的热断裂,所加电场使极性分子键伸长,从而使键变弱,在标准玻尔兹曼热过程中更容易破坏。由于电场的存在减小了分子键断裂的澈活能,所以退化率以电场的指数形式增长。当断裂键或渗流点的局部密度足够高时,便形成从阳极到阴极的导电通路,这时发生失效,对应的时间即为失效时间。失效时间与退化率为逆关系,因此是随电场强度指数减小的,具体表达形式为

 

TF=A0exp(-ϒEox)exp(Ea/kBT)        (7-10)

 

其中,ϒ为电场加速因子;Eox为氧化物电介质层内电场强度;Ea为激活能;kB为玻尔兹曼常数;A0为与材料和工艺相关的系数,不同的器件其值不一样,A0的性质使TF成为一个分布,—般为威布尔分布。

 

1/E模型又称为阳极空穴注入模型。该模型认为在外加电场下,由Fowler-Nordheim(FN)隧穿效应注入的电子从阴极向阳极做加速运动,穿过电介质层,使电介质层受到损伤。而且,当被加速电子到达阳极,在阳极界面的硅中通过碰撞电离产生电子空穴对,其中一些高能量空穴又注入氧化层的价带,在电场的作用下,这些空穴迁移回阴极界面,从而导致氧化层的退化,并被击穿。电子与热空穴都是FN隧穿效应的结果,失效时间与电场强度的倒数之间的指数关系为

 

F=A0exp(G/Eox)exp(Ea/kBT)    (7-11)

 

其中,G为温度相关参数,其余参数同式(7-10)。

 

对于超薄(<40Å)SiO2电介质层的TDDB失效,可采用幂律电压模型,该模型认为,由于电介质层很薄,缺陷的产生正比于直接隧穿栅氧化层的电子导致的氢释放,从而测量到的缺陷产生率是加在栅氧化层上电压的幂函数。因而失效时间与电压的关系为

 

TF= B0V-n         (7-12)

 

当氧化层足够薄时,缺陷的产生率和氧化层的厚度无关,但导致氧化层击穿的临界缺陷密度强烈依赖于氧化层的厚度。

 

对于low-k材料TDDB,还有相应的根号E模型。比较各种模型对同一组加速TDDB测试数据的拟合曲线。在高电场强度范围内的数据点﹐所有模型都很好的拟合,然而,当外推到低电场强度时,4个模型相差很大,其中E模型外推的失效时间短,而1/E模型长,这说明E模型保守,1/E模型激进。

 

在等离子清洗机等离子设备CMOS工艺流程中,与栅氧化层相关的等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻工艺有有等离子清洗机等离子设备源区蚀刻、等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻、等离子清洗机等离子设备侧墙蚀刻等,在HKMG技术中还有伪栅蚀刻。这些步骤有可能对栅氧化层TDDB产生影响。文献也报道了圆滑的AA上部转角对改善栅极氧化层TDDB有非常大的帮助,其通过在等离子清洗机等离子设备SiN硬掩膜蚀刻步骤后引入额外一步顶部圆滑工艺步骤来达到此目的, 得到的AA转角呈理想的弧形。

 

等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻中,如果等离子体不均匀就会导致局部区域电子流或离子流从栅极侧面损伤栅氧化层,降低栅氧化层质量,进而影响TDDB性能。Lee等人发现栅极形貌对TDDB也有影响,带突出脚(foot)的栅极形貌比笔直的栅极或者内凹的栅极在栅氧化层TDDB性能上要差,原因是等离子清洗机等离子设备高能离子注入时离子会透过栅极突出脚进入栅极氧化层,导致氧化层损伤。

 

Li等发现由于侧墙尺寸太小导致栅氧化层击穿,而这是由侧墙蚀刻尺寸的不均匀性造成,Mahesh等发现在侧墙蚀刻后去除聚合物残留的工艺步骤中,相比于等离子清洗机等离子设备H2/N2气体组合的等离子体,O2/N2的等离子体能明显改善TDDB。他们认为是等离子清洗机等离子设备O2/N2有更强的聚合物去除能力,因而给后续的湿法清洗留出了足够的工艺窗口来减少侧墙损耗。


 

  • 分类:技术支持
  • 作者:等离子清洗机-CRF plasma等离子设备-等离子表面处理机厂家-诚峰智造
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  • 发布时间:2020-12-04 08:51
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等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻对GOI/TDDB的影响:

 

栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity,GOI)一般指对栅极氧化硅电容在恒定电压下的经时击穿(TDDB)测试。随着MOS电路尺寸的不断缩小,栅氧化层越来越薄,而电源电压的降低并不能和栅氧减薄同步,这使得栅氧化层需要工作在较高的电场强度下。栅氧化层的击穿是影响MOS器件可靠性的重要模式。通常氧化层的绝缘击穿是在高电压下瞬时发生的,而实际上,即使所加电压低于临界击穿电场,经过一段时间后也会发生击穿,这就是氧化层的经时击穿。大量实验表明,这类击穿与外加应力和时间有密切关系。在HKMG技术中,栅极电介质由high-k材料氧化铪代替原先的氧化硅,GOI就改称为GDI(Gate Dielectric Integrity)。

 

实际CMOS器件栅氧化层中会有各种缺陷,包括等离子清洗机等离子设备氧化层沉积时产生或后续工艺引入的陷阱电荷、可移动离子、针孔、硅微粒、粗糙界面、局部厚度变薄等,这些物理缺陷是氧化层的薄弱处,在一定电和热应力作用下将导致电介质击穿,是TDDB产生的主要原因。而通过改进等离子清洗机等离子设备工艺、原材料,可以减小随机缺陷的影响,使氧化层击穿主要由材料性质决定,这时的失效属于本征失效,是各类等离子清洗机等离子设备研究的重点。一股认为在恒定电压下,介电材料与栅极或硅基底之间界面上的键断裂,生成陷阱,随即发生空穴俘获和电子俘获。在经历相对较长时间的退化后,电子俘获持续进行直到局部的焦耳热在介电材料中形成导电熔丝,使得栅电极与硅基底之间发生短路,即阴极与阳极短路,导致电介质层被击穿。

 

精准描述栅氧化层击穿的完整统一模型至今未能得到,但有两个经验模型被广泛用于描述氧化物电介质层的TDDB失效机制,一个是基于电场驱动理论的E模型,另一个是基于电 流驱动理论的1/E模型。

 

E模型又称为热化学模型。该模型认为低场强、高温度下发生TDDB的原因是电场增强了介电材料原子键的热断裂,所加电场使极性分子键伸长,从而使键变弱,在标准玻尔兹曼热过程中更容易破坏。由于电场的存在减小了分子键断裂的澈活能,所以退化率以电场的指数形式增长。当断裂键或渗流点的局部密度足够高时,便形成从阳极到阴极的导电通路,这时发生失效,对应的时间即为失效时间。失效时间与退化率为逆关系,因此是随电场强度指数减小的,具体表达形式为

 

TF=A0exp(-ϒEox)exp(Ea/kBT)        (7-10)

 

其中,ϒ为电场加速因子;Eox为氧化物电介质层内电场强度;Ea为激活能;kB为玻尔兹曼常数;A0为与材料和工艺相关的系数,不同的器件其值不一样,A0的性质使TF成为一个分布,—般为威布尔分布。

 

1/E模型又称为阳极空穴注入模型。该模型认为在外加电场下,由Fowler-Nordheim(FN)隧穿效应注入的电子从阴极向阳极做加速运动,穿过电介质层,使电介质层受到损伤。而且,当被加速电子到达阳极,在阳极界面的硅中通过碰撞电离产生电子空穴对,其中一些高能量空穴又注入氧化层的价带,在电场的作用下,这些空穴迁移回阴极界面,从而导致氧化层的退化,并被击穿。电子与热空穴都是FN隧穿效应的结果,失效时间与电场强度的倒数之间的指数关系为

 

F=A0exp(G/Eox)exp(Ea/kBT)    (7-11)

 

其中,G为温度相关参数,其余参数同式(7-10)。

 

对于超薄(<40Å)SiO2电介质层的TDDB失效,可采用幂律电压模型,该模型认为,由于电介质层很薄,缺陷的产生正比于直接隧穿栅氧化层的电子导致的氢释放,从而测量到的缺陷产生率是加在栅氧化层上电压的幂函数。因而失效时间与电压的关系为

 

TF= B0V-n         (7-12)

 

当氧化层足够薄时,缺陷的产生率和氧化层的厚度无关,但导致氧化层击穿的临界缺陷密度强烈依赖于氧化层的厚度。

 

对于low-k材料TDDB,还有相应的根号E模型。比较各种模型对同一组加速TDDB测试数据的拟合曲线。在高电场强度范围内的数据点﹐所有模型都很好的拟合,然而,当外推到低电场强度时,4个模型相差很大,其中E模型外推的失效时间短,而1/E模型长,这说明E模型保守,1/E模型激进。

 

在等离子清洗机等离子设备CMOS工艺流程中,与栅氧化层相关的等离子清洗机等离子设备等离子体蚀刻工艺有有等离子清洗机等离子设备源区蚀刻、等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻、等离子清洗机等离子设备侧墙蚀刻等,在HKMG技术中还有伪栅蚀刻。这些步骤有可能对栅氧化层TDDB产生影响。文献也报道了圆滑的AA上部转角对改善栅极氧化层TDDB有非常大的帮助,其通过在等离子清洗机等离子设备SiN硬掩膜蚀刻步骤后引入额外一步顶部圆滑工艺步骤来达到此目的, 得到的AA转角呈理想的弧形。

 

等离子清洗机等离子设备栅极蚀刻中,如果等离子体不均匀就会导致局部区域电子流或离子流从栅极侧面损伤栅氧化层,降低栅氧化层质量,进而影响TDDB性能。Lee等人发现栅极形貌对TDDB也有影响,带突出脚(foot)的栅极形貌比笔直的栅极或者内凹的栅极在栅氧化层TDDB性能上要差,原因是等离子清洗机等离子设备高能离子注入时离子会透过栅极突出脚进入栅极氧化层,导致氧化层损伤。

 

Li等发现由于侧墙尺寸太小导致栅氧化层击穿,而这是由侧墙蚀刻尺寸的不均匀性造成,Mahesh等发现在侧墙蚀刻后去除聚合物残留的工艺步骤中,相比于等离子清洗机等离子设备H2/N2气体组合的等离子体,O2/N2的等离子体能明显改善TDDB。他们认为是等离子清洗机等离子设备O2/N2有更强的聚合物去除能力,因而给后续的湿法清洗留出了足够的工艺窗口来减少侧墙损耗。

等离子清洗机等离子设备
 

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