等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備等離子體蝕刻對goi/tddb的影響：
柵氧化層完整性(gate oxide integrity，goi)一般指對柵極氧化硅電容在恒定電壓下的經(jīng)時(shí)擊穿(tddb)測試。隨著mos電路尺寸的不斷縮小，柵氧化層越來越薄，而電源電壓的降低并不能和柵氧減薄同步，這使得柵氧化層需要工作在較高的電場強(qiáng)度下。柵氧化層的擊穿是影響mos器件可靠性的重要模式。通常氧化層的絕緣擊穿是在高電壓下瞬時(shí)發(fā)生的，而實(shí)際上，即使所加電壓低于臨界擊穿電場，經(jīng)過一段時(shí)間后也會發(fā)生擊穿，這就是氧化層的經(jīng)時(shí)擊穿。大量實(shí)驗(yàn)表明，這類擊穿與外加應(yīng)力和時(shí)間有密切關(guān)系。在hkmg技術(shù)中，柵極電介質(zhì)由high-k材料氧化鉿代替原先的氧化硅，goi就改稱為gdi(gate dielectric integrity)。
實(shí)際cmos器件柵氧化層中會有各種缺陷，包括等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備氧化層沉積時(shí)產(chǎn)生或后續(xù)工藝引入的陷阱電荷、可移動(dòng)離子、針孔、硅微粒、粗糙界面、局部厚度變薄等，這些物理缺陷是氧化層的薄弱處，在一定電和熱應(yīng)力作用下將導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿，是tddb產(chǎn)生的主要原因。而通過改進(jìn)等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備工藝、原材料，可以減小隨機(jī)缺陷的影響，使氧化層擊穿主要由材料性質(zhì)決定，這時(shí)的失效屬于本征失效，是各類等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備研究的重點(diǎn)。一股認(rèn)為在恒定電壓下，介電材料與柵極或硅基底之間界面上的鍵斷裂，生成陷阱，隨即發(fā)生空穴俘獲和電子俘獲。在經(jīng)歷相對較長時(shí)間的退化后，電子俘獲持續(xù)進(jìn)行直到局部的焦耳熱在介電材料中形成導(dǎo)電熔絲，使得柵電極與硅基底之間發(fā)生短路，即陰極與陽極短路，導(dǎo)致電介質(zhì)層被擊穿。
精準(zhǔn)描述柵氧化層擊穿的完整統(tǒng)一模型至今未能得到，但有兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅粡V泛用于描述氧化物電介質(zhì)層的tddb失效機(jī)制，一個(gè)是基于電場驅(qū)動(dòng)理論的e模型，另一個(gè)是基于電 流驅(qū)動(dòng)理論的1/e模型。
e模型又稱為熱化學(xué)模型。該模型認(rèn)為低場強(qiáng)、高溫度下發(fā)生tddb的原因是電場增強(qiáng)了介電材料原子鍵的熱斷裂，所加電場使極性分子鍵伸長，從而使鍵變?nèi)?，在?biāo)準(zhǔn)玻爾茲曼熱過程中更容易破壞。由于電場的存在減小了分子鍵斷裂的澈活能，所以退化率以電場的指數(shù)形式增長。當(dāng)斷裂鍵或滲流點(diǎn)的局部密度足夠高時(shí)，便形成從陽極到陰極的導(dǎo)電通路，這時(shí)發(fā)生失效，對應(yīng)的時(shí)間即為失效時(shí)間。失效時(shí)間與退化率為逆關(guān)系，因此是隨電場強(qiáng)度指數(shù)減小的，具體表達(dá)形式為
tf=a0exp(-ϒeox)exp(ea/kbt) (7-10)
其中，ϒ為電場加速因子；eox為氧化物電介質(zhì)層內(nèi)電場強(qiáng)度；ea為激活能；kb為玻爾茲曼常數(shù)；a0為與材料和工藝相關(guān)的系數(shù)，不同的器件其值不一樣，a0的性質(zhì)使tf成為一個(gè)分布，—般為威布爾分布。
1/e模型又稱為陽極空穴注入模型。該模型認(rèn)為在外加電場下，由fowler-nordheim(fn)隧穿效應(yīng)注入的電子從陰極向陽極做加速運(yùn)動(dòng)，穿過電介質(zhì)層，使電介質(zhì)層受到損傷。而且，當(dāng)被加速電子到達(dá)陽極，在陽極界面的硅中通過碰撞電離產(chǎn)生電子空穴對，其中一些高能量空穴又注入氧化層的價(jià)帶，在電場的作用下，這些空穴遷移回陰極界面，從而導(dǎo)致氧化層的退化，并被擊穿。電子與熱空穴都是fn隧穿效應(yīng)的結(jié)果，失效時(shí)間與電場強(qiáng)度的倒數(shù)之間的指數(shù)關(guān)系為
f=a0exp(g/eox)exp(ea/kbt) （7-11)
其中，g為溫度相關(guān)參數(shù)，其余參數(shù)同式(7-10）。
對于超薄(<40å)sio2電介質(zhì)層的tddb失效，可采用冪律電壓模型，該模型認(rèn)為，由于電介質(zhì)層很薄，缺陷的產(chǎn)生正比于直接隧穿柵氧化層的電子導(dǎo)致的氫釋放，從而測量到的缺陷產(chǎn)生率是加在柵氧化層上電壓的冪函數(shù)。因而失效時(shí)間與電壓的關(guān)系為
tf= b0v-n (7-12)
當(dāng)氧化層足夠薄時(shí)，缺陷的產(chǎn)生率和氧化層的厚度無關(guān)，但導(dǎo)致氧化層擊穿的臨界缺陷密度強(qiáng)烈依賴于氧化層的厚度。
對于low-k材料tddb，還有相應(yīng)的根號e模型。比較各種模型對同一組加速tddb測試數(shù)據(jù)的擬合曲線。在高電場強(qiáng)度范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)﹐所有模型都很好的擬合，然而，當(dāng)外推到低電場強(qiáng)度時(shí)，4個(gè)模型相差很大，其中e模型外推的失效時(shí)間短，而1/e模型長，這說明e模型保守，1/e模型激進(jìn)。
在等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備cmos工藝流程中，與柵氧化層相關(guān)的等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備等離子體蝕刻工藝有有等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備源區(qū)蝕刻、等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備柵極蝕刻、等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備側(cè)墻蝕刻等，在hkmg技術(shù)中還有偽柵蝕刻。這些步驟有可能對柵氧化層tddb產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)也報(bào)道了圓滑的aa上部轉(zhuǎn)角對改善柵極氧化層tddb有非常大的幫助，其通過在等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備sin硬掩膜蝕刻步驟后引入額外一步頂部圓滑工藝步驟來達(dá)到此目的， 得到的aa轉(zhuǎn)角呈理想的弧形。
等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備柵極蝕刻中，如果等離子體不均勻就會導(dǎo)致局部區(qū)域電子流或離子流從柵極側(cè)面損傷柵氧化層，降低柵氧化層質(zhì)量，進(jìn)而影響tddb性能。lee等人發(fā)現(xiàn)柵極形貌對tddb也有影響，帶突出腳(foot)的柵極形貌比筆直的柵極或者內(nèi)凹的柵極在柵氧化層tddb性能上要差，原因是等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備高能離子注入時(shí)離子會透過柵極突出腳進(jìn)入柵極氧化層，導(dǎo)致氧化層損傷。
li等發(fā)現(xiàn)由于側(cè)墻尺寸太小導(dǎo)致柵氧化層擊穿，而這是由側(cè)墻蝕刻尺寸的不均勻性造成，mahesh等發(fā)現(xiàn)在側(cè)墻蝕刻后去除聚合物殘留的工藝步驟中，相比于等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備h2/n2氣體組合的等離子體，o2/n2的等離子體能明顯改善tddb。他們認(rèn)為是等離子清洗機(jī)等離子設(shè)備o2/n2有更強(qiáng)的聚合物去除能力，因而給后續(xù)的濕法清洗留出了足夠的工藝窗口來減少側(cè)墻損耗。