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(三)MOSFET栅氧化层的性能退化

微电子器件与IC 的可靠性与失效分析

——MOSFET 栅氧化层的性能退化栅氧化层的性能退化————

Xie Meng-xian. (电子科大,成都市)

影响MOS 器件及其集成电路可靠性的因素很多,有设计方面的,如材料、器件和工艺等的选取;有工艺方面的,如物理、化学等工艺的不稳定性;也有使用方面的,如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。

从器件和工艺方面来考虑,影响MOS 集成电路可靠性的主要因素有三个:一是栅极氧化层性能退化;二是热电子效应;三是电极布线的退化。

MOSFET 的栅极二氧化硅薄膜是决定器件性能的关键性材料。因为二氧化硅薄膜具有良好的绝缘性,同时它与Si 表面接触的表面态密度又很低,所以最常用作为栅绝缘层。 栅氧化层一般是采用热氧化来制备的,良好氧化层的漏电流基本上为0,并且具有较高的击穿电场强度(击穿电场强度约为10MV/cm )。但是,实际上发现,在器件和电路工作时,有时会发生由于栅氧化层的漏电、并导致击穿而引起的失效;产生这种后果的根本原因就是氧化层在电压作用下性能发生了退化。

(1)栅氧化层性能退化的表现栅氧化层性能退化的表现~~击穿击穿::

在栅极电压作用下,栅氧化层发生性能退化的主要表现就是击穿。这里存在两种类型的击穿:一是瞬时击穿(TZDB ,Tims Zero Dielectic Breakdown ),即是加上电压后就马上发生的击穿——短路;二是经时击穿(TDDB ,Tims Dependent Dielectic Breakdown ),即是加上电压后需要经过一段时间之后才发生的击穿。

MOSFET 和MOS-IC 的早期失效往往就包括有栅氧化层的TZDB 现象。

TDDB 的产生与栅氧化层中的电场(~栅电压)有关。实验表明,按照引起击穿电场的大小,可以把TDDB 区分为三种不同的模式:①模式A ~在较低电场(1MV/cm )时就产生的击穿;②模式B ~在较高电场(数MV/cm )时产生的击穿;③模式C ~在很高电场(>8MV/cm )时才可能产生的击穿。

TDDB 的模式A 往往是由于氧化层中存在针孔等缺陷的缘故,具有这种模式的早期击穿的芯片,一般都可通过出厂前的筛选而淘汰掉,故模式A 击穿将直接影响到芯片的成品率。由于氧化层中的针孔等缺陷主要是来自于材料和环境的污染、微粒之类的杂质,所以提高材料和工艺的纯净度对于降低出现模式A 的几率、增高成品率具有重要的意义。

TDDB 的模式B 往往是由于氧化层中存在微量的Na 、K 等碱金属和Fe 、Ni 等重金属杂质的缘故,这些杂质离子在较高电场作用下会发生移动,并且起着陷阱能级的作用。因此,为了提高模式B 的击穿,也必须严格保证材料和工艺的纯净度,此外还必须注意晶体表面缺陷吸附重金属杂质所产生的不良影响(则需要关注衬底的结晶控制技术)。

TDDB 的模式C 击穿电压很高,接近二氧化硅的固有击穿特性,这是由于氧化层中不存在杂质和缺陷的缘故。

(2)MOSFET 栅氧化层失效栅氧化层失效的寿命评估的寿命评估的寿命评估::

对于带有经时击穿模式B 的不良芯片,需要经过较长时间的试验才能检测出来,因此必须事先确立器件寿命的检测和评估方法。

为了保证集成电路能够正常工作若干年(一般要求10年以上),就需要在出厂前预测出器件的寿命——寿命评估;这可以通过TDDB 试验预测出栅氧化层的寿命来确定器件的寿命。具体的办法就是采用所谓加速寿命试验,即把许多器件置于强电场(高于7MV/cm )、温度为100 oC 左右的条件下,观测器件的经时失效率;一般,栅氧化层的TDDB 呈现出两个区域:较快击穿的早期失效区和需要经过很长时间才击穿的磨损失效区(二氧化硅的固有击穿区)。为了不让器件在出厂后就产生问题,则必须尽量控制器件的早期失效。