等离子体对90nm工艺MOS器件的损伤

半!导!体!学!报

&'()*+*,-./)01-2+*3(&-)4.&5-/+

6789!\"!)79#

!,:;9!$$%

等离子体对XS\"'工艺RO3器件的损伤\"

唐!瑜摘要󰀢研究了等离子体工艺对f对;$;G铜大马士革工艺器件的损伤93-+2*5和@(和3-+2*5分别进行了'&

实验结果证明天线比仍是反应等离子体损伤重要的标准且通孔天线结构器件的损伤最大!并从通)d5(应力实验!孔刻蚀工艺过程中解释其原因9

关键词󰀢等离子体损伤&天线结构&通孔&铜大马士革工艺

44B11\"!JJ$2&!JN$

中图分类号󰀢5󰀣󰀤)\\M!!!!文献标识码󰀢0!!!文章编号󰀢$!JMU\\#%%!$$%$#U$$f!U$\\

G!引言

随着61+(芯片尺寸不断减小和速度不断提高!功耗的问题也越来越严重!与此同时加工的复杂性迅速增加!使得等离子工艺已经成为现代大规模

更细的线条和更好的(&制造工业不可缺少的部分!

使高密度等离子技术图形对加工工艺的严格要求!

但是!基于等离子技术的工艺容的应用越来越重要9

易在加工过程中在导体层面上集聚电荷9实验数据表明!这种电荷的积累会影响薄栅氧化层的性能!使栅氧的各种电学参数如氧化层中的固定电荷+界面态密度+平带电压及栅漏电流等退化!严重时甚至会

这被称为2天线效应3#也被称为造成器件的失效!

'#(

2等离子导致栅氧损伤3$另外对器件的可靠性也9产生重大影响!如;3-+2*5热载流子可靠性

'(!!M

#和@'&$3-+2*5负偏压不稳定性#)dU

'\\%N($本文分别对;93-+2*5和@3-+2*5施5(加'&(和)d5(应力来研究充电损伤对f$;G工艺可靠性的影响9

如图#所示9天线结构!

图#!天线结构示意图!#$金属天线&#$通孔天线:W

$2B[#!+KF>G:EBKAB:=:G7O:;E>;;:?E=DKED=>!#:CC

&#$63>E:8?E=DKED=>WB:?E=DKED=>

金属天线采用3#即天线加在第#和第#和3!两种结构!通孔天线则采用3%%!层金属上$#6B:#

#天线加在第#层层间介质上!以下简称63!B:#$结构9天线比有!种!分别为\\金属天线$$和\\$$$!

通孔天线上分别有的周长分别为\\!$和\\!$$G9'

实验仪器采用'#N$$和#N$$$个通孔9c\\#JNd半

导体参数分析仪9H9G!天线比对器件的影响

选择!种天线比#的金属天0/g\\$$m\\$$$$线器件进行研究9对;应3-+2*5施加'&(应力!

应力时间为#力条件为HAgHCg#[\"6!$$$?9

图!#$显示不同天线比的;:3-+2*5的跨导曲线几乎不变!这是由于灰化工艺后的金属退火工艺几乎完全2消除3了等离子体工艺中产生的陷阱!使氧化层中悬挂键的数量大大减少!形成许多+4B

H!实验与讨论

实验样品采用f$;G工艺下栅氧厚度为

宽长比为#%且采#[\\;G+$G$[#G的3-+器件!''

用%层金属布线的大马士革&所有的D互连工艺9

并采用+为了放实验器件都经过)-退火!5(隔离9

大等离子体的充电损伤!通常在栅电极上引出大面积的导线区!加强等离子体工艺过程中的电荷收集!这种结构被形象地称为2天线3实验样品采用!种9

批准号\"$N$J$N$!$\"国家自然科学基金资助项目#

\"<通信作者9*G:B8E:;\"!!I:F779K7G9K;IC$$NU$\"U#N收到!!$$NU$fU$%定稿!!

$$%中国电子学会\"!

第#期唐!瑜等󰀢$;G工艺3-+器件的损伤!等离子体对f

(\"

使缺陷变为潜在的󰀡在测量中不会对器件电'键󰀡

特性产生影响9图!󰀣在施加#W󰀤$$$?的'&(应力

天线比越大的器件跨导越小󰀡且相对于参考器件后󰀡

具有大天线比的器件跨导退化较大9实验表明'&(应力释放了样品中由于退火工艺而转为潜在的界面态󰀡使栅对沟道的控制能力减弱󰀡从而使更大的天线比的器件具有更小的漏电流9

图M!对不同天线比;3-+2*5施加#$$$?'&(应力时的!A退化

2BC[M!4>C=:A:EB7;B;!AL>=?D??E=>??EBG>O7=ABOO>=U>;E:;E>;;:=:EB7;3-+2*5?B;'&(?E=>??

计中必须考虑 天线效应!对电路可靠性的影响9目

前在实际设计中󰀡一般阈值天线比小于\\$$󰀡

可采用 跳线法!和 添加反偏二极管!来消除天线效应󰀧\"󰀨

9H9H!不同天线层对器件的影响

选取3#󰀡3!和6B:#天线的器件进行研究󰀡

天线比均为\\$$$9同样对;3-+2*5施加#$$$?的'&(应力󰀡应力条件为HCgHAg#[\"6󰀡

应力时间为#$$$?9另外对@3-+2*5施加)d5(应力󰀡应力条件为HCgi#[\"6󰀡

其余电极接地󰀡应力时间为J$$$?󰀡实验温度为#!$e9图\\是施加#$$$?'&(应力之后不同天线层

;3-+2*5最大跨导退化图9

从图中看出󰀡退化最大图\\!'&(应力后不同天线层;3-+2*5跨导退化

2BC[\\!4>C=:A:EB7;B;6GO7=ABOO>=>;E:;E>;;:EI@

>;3-+2*5?:OE>='&(?E=>??

的是6B:#天线结构的器件󰀡其跨导退化了

$[#%G+󰀡而参考器件跨导退化只有$[$#G+9

图J是不同天线层器件饱和漏电流退化率与应力时间关系

图󰀡同样说明6B:#天线器件的退化最为严重9

对@

3-+2*5施加)d5(应力后󰀡不同器件HEF和饱(#

半!导!体!学!报第!\"卷

图J!不同天线层;3-+2*5漏电流退化与应力时间的关系

2B[J!4>=:A:EB7;B;!>=?D??E=>??EBG>O7=ABOUA?:ELCCO>=>;E:;E>;;:E>;3-+2*5?B;'&(?E=>??I@

图%!不同天线层@3-+2*5饱和漏电流随)d5(应力时间

的退化

2B[%!4>=:A:EB7;B;!>=?D??E=>??EBG>O7=ABOUA?:ELCCO>=>;E:;E>;;:E>@3-+2*5?B;)d5(?E=>??I@

和漏电流!󰀡所有具有天%所示9A?:E退化分别如图N

线的器件的退化都比参考器件大󰀡这是因为等离子

图N!不同天线层@d5(应力下HE3-+2*5在)F退化

2B[N!4>=:A:EB7;B;HE>=?D??E=>??EBG>O7=ABOUFLCCO>=>;E:;E>;;:E>@3-+2*5?B;)d5(?E=>??I@

体工艺过程中的充电损伤使得具有天线的器件产生

更多的界面态󰀡退火使得缺陷变为潜在的󰀡形成很多\"'键󰀡在界面处氢的浓度大大增加9施加)+Bd5(应力后充电损伤的器件退化也就更大9图中还显示

所以说明66B:#天线器件退化最大󰀡B:#器件充电损

伤更为严重9

这说明在&󰀥D87VUR大马士革工艺中通孔天线

而在0较金属天线对器件的损伤更为严重󰀡8布线工

f󰀨

艺中等离子体损伤主要发生在金属刻蚀工艺中󰀧9

铜布线大马士革工艺主要包括以下几个工艺步骤󰀢

󰀣󰀤在前层的互连层平面上淀积一层薄的刻蚀#

绝缘󰀤层材料󰀣停止层和厚的互连介质󰀣W8:KYAB:U

󰀤󰀡如图\"󰀣󰀤所示󰀦G7;A:

图\"!&󰀥󰀤淀积刻蚀停止层和8󰀣󰀤刻蚀通孔󰀦󰀣󰀤刻蚀引线沟槽󰀦󰀣󰀤去掉D87VUR大马士革工艺流程示意图!󰀣:7VUR介质󰀦WKA刻蚀停止层󰀦󰀣󰀤溅射势垒和晶籽层󰀦󰀣󰀤填充&>OD和&3c

󰀥󰀤󰀦󰀣󰀤62B[\"!+KF>G:EBK7OEF>4:G:?K>;>@=7K>??O87VO7=K7>=87VUR!󰀣:*EKF:;A87VURA>7?BEWB:C@@@

󰀣󰀤󰀣󰀤󰀣󰀤󰀥󰀦󰀣󰀤>EKF󰀦K5=>;KF>EKF󰀦A*EKF?E7:==B>=7>;󰀦>d:==B>=?>>AA>7?BEO&D@8:EB;;A&3c@W@@C:

第#期唐!瑜等\"$;G工艺3-+器件的损伤!等离子体对f

(*

$以光刻胶作为掩膜刻蚀通孔!由于刻蚀停止!!!#

层的高刻蚀选择性!通孔刻蚀过程将在停止层自动

如图\"#$所示&停止!W#$以光刻胶作为掩膜!刻蚀引线沟槽!如图\"M#$所示&K

#$除去刻蚀停止层!如图\"#$所示&\\A$溅射淀积金属势垒#阻挡$层和&#JD的籽晶在溅射淀积金属势垒层和&必层!D的籽晶层之前!

沟槽和表面的刻蚀残留物#主须有效清洁介质通孔+

!如图\"#$所示&要是&D离子$>

#$利用电镀等工艺进行填充淀积直至通孔和N

沟槽中填满&利用&3c去除沟槽和通孔之D为止!

!再进行有效清洁后淀积介质势垒层材料!外的&D

然后开始下一互连层的制备!如图\"#$所示9O

从等离子体损伤的角度来看!只要是导体直接

就会对器件造成损伤9对于暴露在等离子体工艺下!

产生损伤有M个工艺步骤\"#$通孔刻蚀工艺而言!:

刻蚀阻挡层的淀积!采用等离子体增强化学气相淀积#工艺&#去掉刻蚀阻挡层&#$淀积金c*&64$W$K属势垒#阻挡$层!采用射频高离子化的等离子体9由于等离子体的均匀性难以保证!使得暴露的导体表

电荷积累会对面在工艺过程中积聚了大量的电荷!

栅氧产生损伤9步骤#$产生的损伤由金属天线面积:

而#$和#$产生的损伤都是由通孔天线面积决定!WK来决定9所以在&%D87VUR大马士革工艺中通孔刻蚀是产生等离子损伤的主要原因!必须通过严格控制通孔天线比来防止器件的失效9

现天线比仍是反应等离子体损伤的重要原因!因此在电路设计中要严格控制天线比9另外还发现与金属天

所以在通孔刻蚀的线相比通孔天线造成的损伤更大!

工艺中必须考虑充电损伤的影响!改进工艺步骤9参考文献

'!#(:;3K6BEEB>,95FB;U7ZBA>A:G:>O=7GC:E>KF:=B;!2C+CCC

!!AD=B;8:?G:=7K>??B;9(****8>KE=7;4>LBK>1>EE#ff!C@@C#$\"#MJ!\"\"

'!!(BRB:7Dd=7X>Y5!0DGc!>E:894>=:A>A&3-+F7EK:=U!1IC

=B>=8BO>EBG>U=78>7O@8:?G:>EKFB;;ADK>AKF:=B;:GUCBCCA

!:>:;A>A>A:G:>9(/c+#ffJ\"!N$CCC'!!M(:;:;+h=B?F;:;+0G>=:?>Y:=:0!>E:890G7A>8O7=!/C

KF:;;>8F7EK:==B>==>8B:WB8BE>=:A:EB7;AD>E7@8:?G:IAC!A:G:>B;3-+A>LBK>?9(/c+#fff\"M%$C

'\\(:E?D;::)!Q7?FB;:=B'!+FBW:E:'9)d5(:;:8?B?7O:;U!3CI

E>;;:@3-+2*5VBEFEF>=G:88>K7L>=>A@8:?G:UB;ADK>AI=

!\"$$!#\\!A:G:>9c!(4!C'!J(:;++&F>;5!0;>E:89)>:EBL>UWB:?UE>G>=:ED=>UB;U!5C&!C@

`$)d5(O7=@U:E>@3-+2*5VBEFD8E=:UEFB;@8:?U?E:WB8BECI#G:U;BE=BA>AC:E>AB>8>KE=BK?9c!(4!!$$!\"#\\N

'N(=B?F;:;05!/>AAh=B?F;:;+9(G:KE7OKF:=B;!hI6!@CC

A:G:>7;;>:EBL>WB:?E>G>=:ED=>B;?E:WB8BE9(*43CC@I

!\"$$#Mf9M9#5>KF;BK:84B>?E!C

'%(F>;&290KF:=:KE>=BX:EB7;G7A>8O7=K7;?E:;EKD==>;E!&

?E=>??>AW78E:>UEBG>KF:=:KE>=B?EBK?7OEFB;EF>=G:87ZBA>?C

!#$\"=7V;7;?B8BK7;?DW?E=:E>9,08cF?#f\"N!N$##Mf!NC@@I'!!!\"(:;D'D:;B;BQ>oB;>E:89+78DEB7;7O@=7K>??!QCRC1CIC

:;E>;;:>OO>KEB;A>>U?DWGBK=7;A>?B;9&FB;>?>,7D=;:87O@C

!\"'杨旭!黄令+>GBK7;ADKE7=?!$$\\!!J#%$\"%f#B;&FB;>?>$仪!叶青!等9深亚微米设计中天线效应的消除9半导体学报!

#$\"(!$$\\!!J%\"%f

'f(F7;>2!TDh!+F:V,9S:E>7ZBA>KF:=B;;ABE?>8BGB;:U!+CC:

EB7;O7=G>E:8:;E>;;:K::KBE7=:;AE=:;?B?E7=B;61+(@&3-+A7DW8>8:>=G>E:8E>KF;7879+G7?BDG7;61+(ICII@

!5>KF;787#f\"f\"%MCI

0!结论

通过对f发$;G&D大马士革工艺器件的研究!

\"

F7/-'/2*\"E;C,EA/'/,%\"XS\"'2P,CK\"%7%3Q4P-..)RO

<

!'!35:;D:7QD>>;FBB;!:;A3:RB:7FD:CQCPa

#9'2;(.2$(.$0'<%\"%#$.-&,2$%(\")(.>%-'42\"-?@2'+%,(\"-&,$(.<2$'.%27#2\"-B'C%,'#!3:3()3()=A*D%-%2\"E\"%C'.#%$%,2\"!%#$$%#!/0%\"2$3!D\"cB<-(&/C(8:?G:UB;ADK>AA:G:>7;f$;G&DAD:84:G:?K>;>E>KF;787>LBK>?B?B;L>?EB:E>A9*Z>=BG>;E?7;EF>F7ECCIAC@

K:==B>=?E=>??O7=;3-+2*5?:;A)d5(?E=>??O7=@3-+2*5?:=>K7;ADKE>A95F>:;E>;;:=:EB7B??EB88:?E:;A:=AO7=A>E>KEB;C8:?G:UB;ADK>AA:G:>95F>LB:?E=DKED=>?F7V?G7=>@8:?G:A:G:>EF:;7EF>=G>E:8?E=DKED=>?95FB?B?>Z8:B;>AWEF>LB:@CC@IOB=?EAD:84:G:?K>;>@=7K>??9\"@&:&L&&D,%&E-;E>;;:?E=DKED=>B:DAD:84:G:?K>;>E>KF;7878:?G:UB;ADK>AA:G:>):CIC44B11\"!JJ$2&!JN$

#$B&(#C7,*A\"$!JMU\\#%%!$$%$#U$$f!U$\\

$=7>KE?D7=E>AWF>):EB7;:8):ED=:8+KB>;K>27D;A:EB7;7O&FB;:#)79N$J$N$!$\"cH@@IE

\"<&7==>?7;AB;DEF7=9*G:B8E:;\"!!I:F779K7G9K;@C:IC

>K>BL>A#N0DD?E!$$N!=>LB?>AG:;D?K=BE=>K>BL>A%+>E>GW>=!$$N!/C@@

$$%&FB;>?>(;?EBEDE>7O*8>KE=7;BK?\"!