可靠性物理-3.1-氧化層中的電荷

方糧05十一月2023微電子電路可靠性物理1.概述

2.可靠性的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

3.失效物理

4.失效分析

5.可靠性設(shè)計(jì)

6.工藝可靠性3.1氧化層中的電荷3.2熱載流子效應(yīng)3.3柵氧擊穿3.4電遷移3.5與鋁有關(guān)的界面效應(yīng)3.6熱電效應(yīng)3.7CMOS電路的閂鎖效應(yīng)3.8靜電放電損傷3.9輻射損傷3.10軟誤差3.11水汽的危害3.12NBTI3.13ULSI中銅互連可靠性相關(guān)技術(shù)微電子電路可靠性物理

3.1氧化層中的電荷

第3章失效物理

失效物理現(xiàn)象—在外界熱、電、機(jī)械等應(yīng)力作用下，發(fā)生在微電子器件內(nèi)部及界面處的各種物理和化學(xué)的變化及效應(yīng)；影響—這些效應(yīng)對(duì)微電子器件的正常工作具有不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起失效，所以稱失效物理，也叫可靠性物理；措施—從可靠性角度出發(fā)，針對(duì)失效的原因，討論應(yīng)采取何種有效措施，來防止器件失效，確保器件正常可靠地工作3.1 氧化層中的電荷

3.1.1電荷的性質(zhì)與來源3.1.2對(duì)可靠性的影響3.1.3降低氧化層電荷的措施

3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來源研究始于60年代初期MOS晶體管開始批量生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)與硅熱氧化結(jié)構(gòu)有關(guān)的電荷嚴(yán)重影響著器件的成品率、工作的穩(wěn)定性和可靠性。氧化層電荷用面密度Q(C／cm2)表示面密度Q：指Si-Si02界面處單位面積上的凈有效電荷量，距界面有一定距離時(shí)要折合到界面處，“有效”強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。N＝|Q／q|，表示相應(yīng)電荷數(shù)，q為電子電荷。圖3.1SiO2中的電荷

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(1)固定氧化層電荷Qf

(2)可動(dòng)電荷Qm

(3)界面陷阱電荷Qit (4)氧化層陷阱電荷Qot

現(xiàn)已公認(rèn)：在Si-SiO2界面SiO2一側(cè)存在著四種氧化層電荷。

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(1)固定氧化層電荷Qf

(2)可動(dòng)電荷Qm

(3)界面陷阱電荷Qit (4)氧化層陷阱電荷Qot

（1）固定氧化層電荷Qf1/2

（1）固定氧化層電荷Qf

2/2定義：Qf是指分布在SiO2一側(cè)距Si-SiO2界面小于2.5nm的氧化層內(nèi)的正電荷。產(chǎn)生機(jī)理：Qf起源于硅材料在熱氧化過程中引入的缺陷，如生成離子化的硅或氧空位，它們都帶正電而形成正電荷。Qf特點(diǎn)：只與氧化層生長(zhǎng)和退火條件有關(guān)[1]不隨外加偏壓和硅表面勢(shì)變化與硅襯底雜質(zhì)類型及其濃度基本無關(guān)與SiO2層厚度基本無關(guān)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固定氧化層電荷Qf與退火條件密切相關(guān)。在干的氮?dú)庵型嘶鹗菧p少Q(mào)f的有效方法之一。[1]

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(1)固定氧化層電荷Qf

(2)可動(dòng)電荷Qm

(3)界面陷阱電荷Qit (4)氧化層陷阱電荷Qot

（2）可動(dòng)電荷Qm1/2

（2）可動(dòng)電荷Qm2/2

定義：Qm

是SiO2中存在的K+，Na+，Li+等正離子引起的。負(fù)離子及重金屬離子在500℃以下是不動(dòng)的，影響較小。產(chǎn)生機(jī)理：K+，Na+，Li+較小，在SiO2的擴(kuò)散為間隙式原子擴(kuò)散[2]，所需能量較小，半導(dǎo)體工藝需要高度清潔。特點(diǎn)：Qm在一定溫度及偏壓下即可在SiO2內(nèi)部或表面產(chǎn)生橫向及縱向移動(dòng)，調(diào)制了器件表面勢(shì)，引起器件參數(shù)不穩(wěn)定。鈉性質(zhì)活潑，地殼中含量很大。除在生產(chǎn)工藝中形成外，在器件工作時(shí)也可通過擴(kuò)散進(jìn)入SiO2

。(代位式擴(kuò)散)(間隙式擴(kuò)散)E(間隙原子的勢(shì)壘)

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(1)固定氧化層電荷Qf

(2)可動(dòng)電荷Qm

(3)界面陷阱電荷Qit

(4)氧化層陷阱電荷Qot

（3）界面陷阱電荷Qit1/5（3）界面陷阱電荷Qit2/5

定義：界面陷阱可接受空穴或電子而帶一定電荷，此即界面陷阱電荷。產(chǎn)生機(jī)理：界面陷阱也叫快表面態(tài)或界面態(tài)，起源于Si-Si02界面的結(jié)構(gòu)缺陷、氧化感生缺陷及金屬雜質(zhì)和輻射等引起的其他缺陷。影響：可調(diào)制硅表面勢(shì)，造成器件參數(shù)的不穩(wěn)定性。某些界面陷阱可同時(shí)俘獲一個(gè)電子或一個(gè)空穴而起復(fù)合中心的作用。缺陷實(shí)例：在Si-Si02界面處硅原子在Si02方向晶格結(jié)構(gòu)排列中斷而產(chǎn)生的所謂懸空鍵，就是一種結(jié)構(gòu)缺陷。這種缺陷可接受電荷,即懸空鍵可與硅表面交換電子或空穴。（3）界面陷阱電荷Qit3/5界面陷阱又稱為界面態(tài)，包含快界面態(tài)和慢界面態(tài)（界面陷阱一般指快界面態(tài)）。界面態(tài)的定義與晶體能級(jí)理論有關(guān)?？臁⒙缑鎽B(tài)按照縱向位置和在能級(jí)中的分布不同而劃分?？旖缑鎽B(tài)特點(diǎn)：界面陷阱與固定氧化層電荷有一定的聯(lián)系。固定氧化層電荷變化，界面陷阱也常常發(fā)生變化。高能電荷注入氧化層，會(huì)打破柵氧化層中的Si-O鍵，形成氧化層陷阱。這種陷阱在熱應(yīng)力或電應(yīng)力下會(huì)向Si-SiO2界面處移動(dòng)，形成界面態(tài)，可從MOS電容樣品的高頻C-V曲線上得知。界面態(tài)的數(shù)目隨低溫退火而迅速降低。表面電勢(shì)變化，將引起界面陷阱電荷變化。位于界面處且較活躍，對(duì)表面勢(shì)改變的響應(yīng)時(shí)間為10-6s量級(jí)，可響應(yīng)高頻信號(hào)。表面復(fù)合中心，對(duì)表面復(fù)合作用起決定性的影響。外加偏壓VG變化，表面電勢(shì)也改變時(shí)，界面態(tài)的變化會(huì)產(chǎn)生電容效應(yīng)，使MOS器件的C-V特性曲線形狀發(fā)生畸變。（3）界面陷阱電荷Qit4/5慢界面態(tài)特點(diǎn)：（3）界面陷阱電荷Qit5/5慢態(tài)隨表面勢(shì)的變化而變化。慢態(tài)具有較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間是ms甚至s級(jí)。僅對(duì)低頻信號(hào)有響應(yīng)。慢態(tài)在靠近界面的幾個(gè)埃的距離內(nèi)，載流子也可以通過陷阱產(chǎn)生隧穿。

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(1)固定氧化層電荷Qf

(2)可動(dòng)電荷Qm

(3)界面陷阱電荷Qit

(4)氧化層陷阱電荷Qot

（4）氧化層陷阱電荷Qot1/3（4）氧化層陷阱電荷Qot2/3可以是正電荷，也可以是負(fù)電荷，取決于氧化層陷阱中俘獲的是空穴還是電子。被俘獲的載流子來自X射線、γ射線或電子束在氧化層中引起的輻射電離，以及溝道內(nèi)或襯底的熱載流子的注入。

氧化層電荷，除了在硅熱氧化等生產(chǎn)工藝過程中形成的之外，在隨后器件工作時(shí)也會(huì)不斷產(chǎn)生。Na+離子污染，可從外界環(huán)境中通過擴(kuò)散進(jìn)入氧化層中Qm。溝道或襯底中的熱載流子可越過Si-Si02壁壘進(jìn)入氧化層中，在Si與Si02的過渡區(qū)內(nèi)如能打斷Si-H、Si-OH鍵或形成其他缺陷，即產(chǎn)生Qit及Qot。Qit和Qot的分布測(cè)量技術(shù)[1]電荷泵技術(shù)(在3．2節(jié)介紹)低頻噪聲測(cè)量GIDL（柵引起的漏極泄漏電流）測(cè)量亞閾值泄露電流和跨導(dǎo)測(cè)量（4）氧化層陷阱電荷Qot3/33.1 氧化層中的電荷

3.1.1電荷的性質(zhì)與來源3.1.2對(duì)可靠性的影響3.1.3降低氧化層電荷的措施

3.1.2對(duì)可靠性的影響

四種電荷中，以可動(dòng)離子電荷最不穩(wěn)定，對(duì)器件可靠性的影響也最大。氧化層中的四種電荷的位置或密度變化對(duì)可靠性的影響雙極型(導(dǎo)致電流增益和PN結(jié)反向漏電變化，擊穿電壓蠕變等)MOS器件(閾值電壓及跨導(dǎo)漂移，甚至源-漏穿通)電荷耦合器件(轉(zhuǎn)移效率降低）調(diào)制了硅的表面勢(shì)凡是與表面勢(shì)有關(guān)的各種電參數(shù)均受到影響。氧化層電荷對(duì)可靠性的影響1/5

（1）增加PN結(jié)反向漏電，降低了結(jié)的擊穿電壓當(dāng)氧化層中Na＋全部遷移至SiO2表面時(shí)，Qm等于0，Na＋全部集中在Si-SiO2界面時(shí)，Qm為最大。它可使P區(qū)表面反型，形成溝道漏電，從而引起擊穿，如圖3．2所示。在NPN晶體管中引起基區(qū)表面反型，產(chǎn)生溝道，導(dǎo)致TTL電路多發(fā)射極晶體管交叉漏電增加，輸出管高電平幅度降低，甚至失效。

氧化層電荷對(duì)可靠性的影響2/5

氧化層電荷對(duì)可靠性的影響3/5（2）引起MOS器件閾值電壓漂移，跨導(dǎo)和截止頻率下降對(duì)N溝MOS管，閾值電壓表達(dá)式為

其中Qm變化引起UT漂移，漂移超過一定量即為失效。Co：SiO2層單位面積電容QSDmax

：是表面耗盡層最大電荷密度φms：是金屬－半導(dǎo)體接觸電位差φF：為半導(dǎo)體襯底的費(fèi)米勢(shì)氧化層電荷對(duì)可靠性的影響4/5（2）引起MOS器件閾值電壓漂移，跨導(dǎo)和截止頻率下降N溝MOS器件的跨導(dǎo)及截止頻率分別正比于：式中L為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度，μeff為N型溝道內(nèi)載流子有效遷移率μL、μI、μS分別為晶格散射、電離雜質(zhì)散射及表面漫散射遷移率。Qit是散射中心，使μS降低，其結(jié)果使gm及fm降低。

氧化層電荷對(duì)可靠性的影響5/5（3）對(duì)電流增益hFE及噪聲的影響

界面態(tài)是一種表面復(fù)合中心：Qit可同時(shí)俘獲(產(chǎn)生)電子-空穴對(duì)雙極性晶體管發(fā)射結(jié)附近表面的復(fù)合中心濃度，決定其表面的產(chǎn)生-復(fù)合電流，Qit增加，必然要降低小電流下的電流增益。發(fā)射結(jié)雪崩擊穿后，熱載流子轟擊Si—Si02界面，使有效復(fù)合中心密度Qit增加，在淺結(jié)、重?fù)诫s發(fā)射區(qū)的雙極超高頻晶體管中尤為突出。1／f噪聲： 作為一種表面復(fù)合中心，界面態(tài)的產(chǎn)生率或復(fù)合率的漲落調(diào)制了基區(qū)表面少子產(chǎn)生或復(fù)合速度，從而產(chǎn)生了疊加在基極和集電極電流上的噪聲電流，該電流的均方值與1／f成正比，所以稱1／f噪聲。導(dǎo)致hFE及輸出功率下降3.1 氧化層中的電荷

3.1.1電荷的性質(zhì)與來源3.1.2對(duì)可靠性的影響3.1.3降低氧化層電荷的措施

3.1.3降低氧化層電荷的措施1/2（1）對(duì)Qm，在生產(chǎn)工藝中，采取各種防Na+污染的措施。保證容器(改用石英制)、工具和氧化爐管的清潔；熱氧化的氣氛中加有適量HCl或氯氣，對(duì)氧化層表面加一層磷硅玻璃鈍化層，以固定殘存Na+并防止外界侵入的二次污染；（2）對(duì)硅材料選用{100}晶面，使Qf及Qit最小。目前工藝已可使氧化層中Qm的含量在1×1010個(gè)/cm2以下，即好的C-V測(cè)試儀溫度-偏壓試驗(yàn)測(cè)不出可動(dòng)電荷密度。{100}晶面面密度較