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等离子设备等离子体蚀刻对NBTI的影响

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发布时间：

2020-12-05

等离子设备等离子体蚀刻对NBTI的影响：

负偏压温度不稳定性(NBTI)指PMOS在栅极负偏压和较高温度工作时，其器件参数如Vth、gm和Idsat等的不稳定性。如果是NMOS器件，就对应PBTI，正偏压温度不稳定性。 NBTI效应发现在1961年。等离子设备等离子体蚀刻对NBTI的影响还是蛮大的，NBTI 效应主要产生原因是，PMOS上加负的栅极偏压，在经过一定时间的负栅偏压和温度应力后，PMOS在Si/SiO2界面处产生新的界面态，界面电势增加，由于空穴俘获产生的界面态和固定电荷都带正电，使得阈值电压向负方向漂移。相比之下，NMOS受PBTI的影响要小得多，这是由于其界面态和固定电荷极性相反互相抵消。在新技术节点，随着集成电路特征尺寸缩小，栅电场增加，集成电路工作温度升高，NBTI成为集成电路器件可靠性的关键失效现象之一。

反应-扩散模型很好地解释了NBTI效应的界面态增加导致Vth漂移和NBTI可恢复现象。 PMOS为负栅偏压，SiO2层中的电场方向为离开界面方向，器件运行过程中如果Si-H键断裂，就会释放一个H+离子，留下了带正电的界面态。H+漂移的方向是离开Si/SiO2界面的方向，SiO2中H+离子的浓度开始增加，造成了氧化层陷阱，这些界面态与陷阱导致半导体器件参数的改变。随着SiO2电介质层中H+离子浓度增加，H+将会朝向界面扩散。事实上，如果停止应力作用，即电场降为0，H+将产生回流，从而使器件发生部分恢复。但是，完全恢复是不可能的，因为部分H+离子会在SiO2栅电介质层内发生还原反应，而不能回流。根据该模型，NBTI失效时间可表达为

F=A₀exp(-ϒE)exp(E_a/k_BT) （7-13）

式中，

A0=[1/C(△V_th/V_th)_crit]^1/m （7-14）

其中，C₀为与Si/SiO2界面上Si-H键浓度成正比的常数； m为时间t的幂律指数，一般情况下，m=0.15~0. 35。从式(7-14)可以看出，失效时间前因子A0正向依赖于参数退化临界值，而反向依赖于Si/SiO2 界面上Si-H键浓度。如果C0趋于0，那么NBTI失效时间为无限大。 NBTI退化的饱和现象也可以用反应扩散模型解释，因为Si-H键的数量是有限的，随时间增加，未断的Si-H数目减少，S-H断裂引起的退化率也不断减小，趋近于零。

Si-SiO2界面态的形成是产生NBTI效应的主要因素，而氢气和水汽是引起NBTI的两种主要物质，它们在界面上发生的电化学反应，形成施主型界面态Nit引起阈值电压漂移，另外在器件操作过程中产生的氧化物陷阱电荷Not也会使阈值电压漂移。为了减小NBTI效应，必须减低Si- SiO2界面处的初始缺陷密度并且使水不出现在氧化层中。将氘注入Si-SiO2界面来形成Si-D键是一个改善NBTI的有效方法。

经过等离子设备等离子体损伤(PID)后的器件其NBTI性能发生退化，因为电荷损伤导致了更高的界面态密度，尽管后续的退火过程有可能将其钝化，但这些高的初始界面态密度导致了更高的NBTI退化。NBTI可以作为检测潜在等离子设备等离子体损伤(PID)的有效手段。

Jin等研究了各种退火工艺对NBTI的影响，发现等离子设备纯H2退火比N2/H2混合气休对改善 NBTI帮助更大，其解释为纯H2有更高的H2含量，其到达Si-SiO2界面的H更多，对悬挂键的钝化作用更明显。而退火时间有明显的饱和效应，当退火时间大于0.5h 后，延长退火时间并不能进一步增加NBTI失效时间。根据Lee等的结论，等离子设备过量的H和界面态形成有紧密联系，所以Jin认为当太多的H漂移到达Si-SiO2界面时，会跟已钝化后的 Si-H键中的H结合形成H2，而遗留下新的悬挂键，从而NBTI性能退化。所以H由何种途径引入，引入H的量的多少都非常关键。

在等离子设备伪栅去除工艺中一般需使用HBr气体来达到对功函数金属的蚀刻高选择比，其等离子设备解离生成的H活性离子会损伤栅电介质，影响NBTI。而使用等离子设备同步脉冲等高子体可以降低HBr 的解离率，明显改善NBTI，且不影响其他性能。在伪栅去除后的光阳去除工艺中，相比于等离子设备低H2含量的N2/H2灰化工艺，更高H2含量的N2/H2能使NBTI失效时间增加一个数量级。

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