三讲：微电子可靠性失效物理

3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
界面态：又称为界面陷阱电荷Qit， 是指Si-SiO2 界面处位于禁带中的 能级或能带，它们可以很短时间内 和衬底交换电荷。 ①除了未饱和的悬挂键外，硅表面 的晶格缺陷和损伤以及界面处杂质 等也可以界面态。 ②退火可以有效地降低界面态密度 ③界面态密度按（111）晶面大于 (110)晶面、 (110)晶面大于(100) 晶面的顺序而变。
3.1.2 对可靠性的影响
氧化层存在的上述四种电荷，会调制硅的表面电 势，凡是与表面电势有关的各种电参数均受到影响。
增加PN结的反向漏电，降低了结的击穿电压。 引起MOS器件阈值电压漂移，跨导和截止频率下降。 对电流增益及噪声的影响：降低小电流下的电流增 益，产生叠加在基极和集电极电流上的噪声电流。
3.3.2 击穿的数学模型
到目前为止，哪一种模型较正确还未有定论，不过 E模型推算出的寿命比1/E模型推算出的要小，故工 业界一般采用E模型。整合温度与电场的加速模型 可得到下列TDDB加速模型：
γ ⋅ exp − Ea τ = C ⋅ 10
- E
KT
式中τ是TDDB寿命，C是系数，γ是模型参数，单位是 cm/MV，E是氧化层电场，Ea是激活能。
3.2 热载流子效应
可热载流子注入效应是MOSFET的一个重要失效机理。高能载 流子，也称为热载流子： 产生于漏极的大沟道电场 有效温度高于晶格的温度 通过声子发射把能量传递给晶格，这会造成在硅-二氧化硅界面 处能键的断裂 热载流子也会注入到SiO2中而被俘获 键的断裂和被俘获的载流子会产生氧化层电荷和界面态，这会 影 响 沟 道 载 流 子 的 迁 移 率 和 有 效 沟 道 势 能 。 能量达到甚至超过SiO2-Si势垒（3.2eV）便会注入到SiO2中去， 当能量等于或大于4.2eV时就会打断共价键而产生界面陷阱，这 就是热载流子注入效应
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3.2.3 热载流子效应的改进措施
①漏极附近的强电场是引发沟道热载流子效应的 原因，因此，对策就是要减轻漏极附近的场强， 比较有效的措施是采用轻掺杂源漏结构（LDD， Lightly Doped Drain-Source）,使雪崩注入区向 硅衬底下移，离开栅界面。
②工作时的漏极电压进行降额处理，也可改善热 载流子注入效应。
3.3.2 击穿的数学模型
E模型 栅氧化层TDDB特性的描述模型很多，对于恒定电压 下的栅氧化层，电场与时间的关系有两种，即1/E模 型或E模型，E模型如下： E模型
τ = τ 0 exp(−γE ox )
G τ = τ 0 exp E ox
1/E模型
式中τ是TDDB寿命，τ0是本征击穿时间，γ、G是模型 参数，单位是cm/MV，Eox是氧化层电场。
3.3.3 栅氧评价的其它方法
①氧化层可靠性的评价，除了使用恒定电压以外，还 可以使用斜坡电压的测量方法，根据击穿电场的分 布，可以将氧化层缺陷分成三种类型，A模式、B模 式和C模式。A模式的击穿电场小于1MV/cm，B模 式的击穿电场介于2～6MV/cm，C模式的击穿电场 通常大于8MV/cm。A、B模式是缺陷失效，C模式 反映的则是本征击穿。 ②另外一种评估氧化层可靠性的方法是击穿电荷，而 测量击穿电荷Qbd有两种方法，即恒定电流测量和指 数斜坡电流测量，不同的测量方法会使击穿电荷Qbd 的值不一样，故应当在同一条件下进行测量。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
固定电荷Qf的测量：固定电荷可以近似地认为 分布在硅-二氧化硅界面处，故平带电压： Qf VFB = − C 再加上金属和半导体功函数的影响，平带电压： Qf VFB = −Vms − C
O O
于是：
ε o ε rs (VFB + Vms) Qf =− Nf = q q dox
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
可动离子电荷Qm的测量：
1)
在实际的MOS系统中，膜层中的可动离子是致使 半导体器件不稳定的一个重要原因，膜层中的正 电荷包含固定正电荷、Si界面态电荷和一部分靠 近Si界面的可动离子电荷，因此，要确定膜层中 的可动离子电荷 ，就必须把它和固定电荷区分开 来。把可动离子和固定电荷区分开来的办法是利 用正，负偏压温度实验，简称Ｂ-T试验。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
氧化层陷阱电荷：是由于各种辐射如X射线、ϒ射线、 电子射线等产生的，可以是正电荷，也可以是负电荷， 取决于氧化层陷阱中俘获的是电子还是空穴。 ①二氧化硅中产生的电子空穴对，如果没有电场，电 子和空穴将复合掉，不会产生净电荷。 ②存在由正栅压引起的电场时，电子被拉向栅极，而 空穴由于在二氧化硅中很难移动，可能陷于陷阱中， 这些被俘获的空穴就表现为正的空间电荷。 ③辐射感应的空间电荷通过在300°C以上进行退火可 以很快地消去。
3.3.1 栅氧击穿的分类
①瞬时击穿，电压一加上去就发生的击穿。分为 本征击穿与非本征击穿，非本征击穿是由于介质 层中存在各种缺陷，引起气体放电、电热分解等 情况而产生介质漏电甚至击穿。 ②与时间有关的介质击穿（TDDB，Time Dependent Dielectric Breakdown ） 是指施加的电场低于栅氧的本征击穿场强，但经 历一定时间后仍发生了击穿，这是由于施加电应 力的过程中，氧化层内产生并积聚了缺陷的缘故。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
可动离子电荷Qm：主要是SiO2中 存在的K+、Na+、Li+等正离子引 起的，其中对器件稳定性影响最 大的是钠离子。 ①钠离子来源于所使用的化学试 剂、玻璃器皿、高温器材以及人 体沾污等。 ②钠离子易于在二氧化硅中迁移， 调制器件表面的电势，引起器件 参数的不稳定。
3.3.3 模型参数的提取
在TDDB加速模型中，有两 个重要的加速因子需要事 先被提取出来，即激活能 Ea和模型参数γ，一般Ea 1/E模型 可在一个固定的电场下， 测量两个以上的温度来得 到，同理模型参数γ可在一 个固定的温度下，测量两 个以上的电场值来得到， 图中是TDDB试验过程中电 场加速因子与温度的关系， 提取模型参数Ea和γ。
B是模型系数，VD，USE是器件在使用条件下的漏 极电压。
3.2.3 热载流子效应的影响因素
①环境温度越低，器件退化越严重。这是因为低 温下电子的自由程增加，从电场中获得的能量也 增加，容易产生热载流子，提高了注入氧化层的 概率。 ②芯片表面一般有保护的钝化膜，膜中含有氢， 氢的原子半径很小，极易扩散进入栅下的Si-SiO2 界面处，取代氧与硅形成Si-H、Si-OH键，热载流 子的注入使Si-H、Si-OH键破坏，在氧化层中形成 界面态，从而使热载流子注入效应显著。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
4)
这样，通过正负偏压温度实 验测量出平带电压的移动， 就可计算出可动离子的面密 度：
Nm =
Q
q
m
=
C ∆V
ox
q
FB
=
ε oε rs ∆V q d
ox
FB
上式中，VFB是平带电压，Ｃox是氧化层的电容量， εo是真空电容率，εrs是介质的相对介电常数。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
2 3 4 5 6 7 8 9 10
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
固定电荷Qf：分布在SiO2 一侧距SiSiO2界面小于2.5nm的氧化层内的电 荷，起源于硅材料在热氧化过程中 引入的缺陷。
1) 2) 3) 4)
固定电荷的面密度是固定的； 位于Si-SiO2界面的2.5nm范围以内； 面密度的值不明显地受氧化层厚度 或硅中杂质类型及浓度的影响； 与氧化和退火条件，以及硅晶体的 取向有很显著的关系。
3.3 栅氧击穿
在MOS器件及其IC中，栅极下面存在一薄层SiO2， 这就是通常所说的栅氧（化层）。栅氧的漏电与 栅氧质量关系极大，漏电增加到一定程度即构成 击穿，导致器件失效。
随着超大规模集成电路器件尺寸的等比例缩小， 芯片面积不断增大，相应地栅氧总面积也增大， 存在缺陷的概率增加，加上受到高电场的作用， 栅氧发生击穿的地方增多，可靠性问题变得严重。
3.4 电迁移
3.3.5 改进措施与注意事项
①通过比较TDDB值及其失效分布可以评估集成电路氧 化、退火、抛光、清洗、刻蚀等工艺对栅氧化层质 量的影响，尤其是对超薄栅氧化层的可靠性评价。 工艺加工过程中采取各种有效的洁净措施，防止沾 污。热氧化时采用二步或三步氧化法生长SiO2层。 可以用CVD生长 SiO2或掺氮氧化以改进栅氧质量。 ②栅氧易采静电损伤，它的损伤是累积性的，使用中 必需采取防护措施。
MIS结构序号 1 5) 可动离子面密度（/cm2） 7.12E+10 7.19E+10 1.06E+10 7.12E+10 1.12E+10 6.70E+10 4.06E+10 5.75E+08 5.33E+08 6.23E+09
右表中所列 的可动离子 面密度是国 内典型亚微 米ＣＭＯＳ 工艺线上的 测量数据
MOS器件阈值电压的变化与 应力作用时间的关系
3.2.3 退化量的表征
漏极衬底电流比率模型：
τ H⋅ ∆D ⋅ I =
1n
m sub
⋅I
m-1 D
⋅W
H、m、n是模型系数，∆D是参数变化量，Isub是 衬底电流，ID是漏极电流，W是器件的宽度。 漏极电压加速模型：
τ = τ 0 exp(B VD，USE )
3.2.1 热载流子效应示意图
热载流子注入效应示意图
3.2.2 热载流子效应的性质
①热载流在运动过程中，因碰撞电离而产生电子 空穴对，产生的多数空穴流向衬底，形成衬底电 流Isub。 ②部分空穴随着漏极向栅极正向电场的形成而注 入氧化层中。 ③高能电子注入氧化层中。 ④电子和空穴两种热载流子都注入SiO2，引起器 件特性的变动。
3.2.3 热载流子效应对器件特性的影响
10
阈阈阈阈阈阈阈阈
/mV
1
栅 栅 (µ m ) V DS(V ) V G S(V ) 0 .8 8 .2 3 .6 0 .8 7 .6 3 .6 0 .8 7 .0 3 .6
0 .1 10 100 1000 10000 100000
应 应 应 应 应 应
/s
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
2)
在MOS电容上先加一负偏压， 后把样品加温，由于膜层中 的可动电荷在较高温度下具 有较大的迁移率，因此，它 们将在高温负偏压下向金属SiO2界面移动，经过一定时 间以后可以认为SiO2膜层中 的可动电荷基本上全部漂移 至金属- SiO2界面处。
3.1.1 氧化层电荷的性质与来源
3.3.4 软击穿和应力产生的漏电流
①当氧化层越来越薄时，除了一般观察到的硬击穿 （Hard Breakdown,HBD）,还有两种新的现象产生， 一 种 是 因 应 力 导 致 的 漏 电 流 （ Stress-Induced Leakage Current,SILC），另一种是软击穿（Soft Breakdown,SBD），软击穿又叫准击穿、预击穿 等。器件发生软击穿时的漏电流比相同偏置条件 下产生的SILC大3－4个数量级。 ②软击穿的发生并不会导致栅氧化层的完全击穿， 但是发生软击穿后，漏电流会显著增大，而器件 发生多次软击穿后，将可能引起整个氧化层击穿， 器件失效。因此，随着栅氧化层厚度降低，软击 穿可能是标志未来的MOS器件栅氧化层可靠性的 关键因素。
3)
保持偏压不变，将样品冷却 到室温，然后去掉偏压，测 量高频C-V特性，曲线所对应 的平带电压值减小，C-V特性 曲线向右移动，得到图中的 曲线2。接着，改变偏压极性， 作正BT处理。加热时间和温 度与负BT相同。正BT处理后， SiO2 中的可动正电荷又全部 漂移到Si- SiO2界面附近，测 量高频C-V特性，C-V曲线向 左方移动，得到图中的曲线3。
微电子器件可靠性
主讲： 孔学东 研究员
第三讲： 第三讲： 失效物理
3.1 氧化层中的电荷
MOS器件的界面特性影响着器件的成品率、工作 的稳定性和可靠性。 在Si-SiO2界面的SiO2一侧存在着多种形式的电荷 或能量状态，一般归纳为以下四种基本类型： ①二氧化硅层中的可动离子 ②二氧化硅中的固定电荷 ③界面态 ④二氧化硅层中的电离陷阱电荷