第02章表面失效机理..

第二章表面失效机理

1*半导体器件常见的失效模式和机理

失效机理是指引起器件失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程。半导体器件包括二极管/三极管/集成电路和可控硅器件等。由于它们在材料和工艺制造上差别较小，所以失效机理大致相同，只是因器件种类不同，对各种失效机理的灵敏度有所不同，即使MOS电路和大规模集成电路（LSI），除了少数特殊问题外，其基本失效机理大致相同。因为所有半导体器件都是由芯片。电极系统/封装系统等几大部分组成。并且制造工艺和所用材料十分类似，所以基本失效机理是一致的。常见的失效机理如表2-1所示。集成电路失效机理如表2-2所示。

2* SiO2---Si 系统中的电荷

由于SiO2的钝化作用，硅平面器件的稳定性和可靠性有了很大提高，但它并不是完美无缺的，仍然存在着很大的不稳定性。近几十年来，人们对SiO2---Si系统中引起的器件不稳定的原因进行了大量的研究，实验分析表明，SiO2—Si系统内存在四种电荷：固定电荷/界面态/可动正离子和电离陷阱。它们将严重地影响器件的可靠性和稳定性，这些电荷的分布如图2-1所示。

一．可动正离子

SiO2的可动正电荷是碱金属离子沾污，它们是钠离子/钾离子/锂离子等正电荷。其中最主要的是钠离子。因为钠离子不仅迁移率较大（比钾离子高一个数量级）而且钠离子在地球上含量最多（储量在化学元素中占第16位），而锂（Li）元素在半导体器件工艺中却很少遇到，因此可动电荷主要来源于钠离子沾污。器件生产中所用的材料/玻璃器皿/化学式剂/去离子水/石英管等，钨丝以及不锈钢镊子等都含有钠离子。例如每克硼硅玻璃中含有7*1020个钠离子。造成热生长SiO2中钠离子含量高的另一个原因是钠离子在SiO2中的扩散系数很大，它仅次于氢离子，比常用的杂质元素P/B/As大近万倍。因此可以说在硅平面工艺的各种热处理过程中，SiO2对于钠离子是“透明”的，在温度---偏压实验中（如高温电老化）钠离子能在SiO2中横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引起器件参数的不稳定，甚至失效。

在常规工艺生长的氧化层中存在着1012---1013个/cm2钠离子，在氧化膜生长过程中钠离子倾向于SiO2表面积累（此时对半导体器件性能影响较小），但在温度—偏压条件下，钠离子很快穿过SiO2并堆积到Si---SiO2界面附近，对半导体器件的影响增强，因此钠离子在氧化层中的分布几率呈现“U”形分布。

二．固定电荷

它是存在于氧化层中靠近Si—SiO2界面的25*10-10m范围内的正电荷。它起源于氧化过程引入的缺陷，由硅在氧化过程中硅界面氧化不完全，存在过量硅离子（即氧空位）而引起。硅在氧化过程中，SiO2的增厚是由O2或H2O扩散过已生成的SiO2层，在SiO2—Si 界面处与原子反应生成新的SiO2所致。由于SiO2—Si界面附近的O2浓度很低这就造成了该处SiO2结构中的缺氧状态，即氧空位，如图2-2所示。

固定电荷的特征如下：

1．其表面密度是固定的不随外加偏压和硅表面势而变化。

2．二氧化硅层厚度/硅衬底掺杂类型及浓度对固定电荷无显著影响。

3．在相似的工艺条件下，固定电荷面密度随硅晶体取向而明显变化，并按（111）>（110）>（100）顺序递减，近似3：2：1，如表2-3所示。

4．热氧化过程的气氛/高低温退火气氛及氧化温度对固定电荷数值均有很大影响。主要取决于最后一道高温处理。

固定电荷的影响是使MOS结构的C—V曲线向负方向平移，而不改变其形状。使MOS

管阈值电压VT增大，但不会影响其稳定性。

二．界面态（界面陷阱电荷）

界面陷阱过去曾称为“快表面态”，在电学性质上界面态可以是施主或受主，也可以是少数载流子的产生和复合中心。它起源于Si---SiO2界面结构缺陷和氧化感生缺陷，以及金属杂质和辐射等因素引起的其它缺陷。

Si---SiO2界面的硅原子悬挂键是一种主要的结构缺陷，这种悬挂键通过上述方式与硅表面层交换电子和空穴，因而调制了硅表面势，造成了器件参数的不稳定性。这种界面陷阱也可同时俘获一个电子和一个空穴而起复合中心作用，它导致了器件表面漏电流和1/f噪声的增大以及增大以及电流增益（跨导）的降低。

注：1----重要2----次要3----更次要

界面密度约1011个/cm2，它取决于硅晶体的晶向/氧化和退火条件。（111）晶面最高，（110）次之，（100）最小。干氧氧化比湿氧氧化大，氧化温度越低，密度越大。工艺上常采用氮氢烘焙方法来提高小电流的电流增益，其道理就在于它可以降低界面态，减少复合中心。

四．辐射电离陷阱

当Si—SiO2系统受到γ射线/X射线或高能电子照射后，一方面使SiO2层中陷阱密度增加，另一方面产生电子—空穴对。如果SiO2中没有电场存在，电子与空穴将直接复合，结果在SiO2中并没有净电荷建立起来。只有当金属电极上加有正电压时，电子被拉向电极

并流到外电路中，而空穴则被氧化层内的陷阱所俘获，在氧化层中形成净正电荷，密度在1018个/cm2左右。它取决于电离辐射强度和当时加在氧化层上的电压。低温退火，或向二氧化硅层中注入电子，可以减少辐射产生的正电荷。

五．氧化层外表面的可动电荷

在器件制造或使用过程中，因表面粘污了湿气和导电物质或辐射电离/静电荷积累等因素的作用，都会在SiO2表面上产生正离子和负离子。它们在偏压的作用下能沿表面移动，正离子聚集在负电极周围，负离子聚集在正电极周围，从而改变了电极的有效面积。粘污严重时足以使Si表面势发生相当程度的改变。这些外表面可动电荷的积累降低了表面电导，引起表面漏电和击穿蠕变等。

Na+ Na+ Na+ Na+

+ + SiO2

+ + + +

Si

图2-1 SiO2—Si 系统中的电荷

图2-2 SiO2结构中的过剩Si导致形成固定电荷

3*钠离子对器件可靠性的危害

上述几种氧化层电荷中，尤其以可动离子Na+对半导体器件可靠性的危害最大。在温度--偏压的作用下，SiO2中的可动离子Na+既可以在Si---SiO2界面的垂直方向移动，也可以在其水平方向移动，于是在硅表面感应出的负电荷数量极其位置也随之发生变化，从而引起元件参数的漂移，影响器件性能的稳定性。

一．引起P区表面反型，产生沟道

1．SiO2对Na+几乎没有阻挡能力，Na+在SiO2内有较高溶解度和较大迁移率，温度越高运动越快。晶体管工作时，在温度—偏压应力的作用下，Na+逐渐被驱赶到Si---SiO2界面，冷却后Na+将积累在界面上。由于静电感应作用的增强，使硅表面感应出负电荷量增加，引起PNP管基区的P型材料向N型转变，严重时基区表面出现反型层（即反型沟道）。

2．NPN管与PNP管相比，PNP管的集电区比NPN管的基区更容易出现反型沟道（因为PNP管收集区的P型杂质浓度远低于）。反型沟道漏电流有饱和型和非饱和型两种，如图2-3所示。

3．场感应结特性。由于P型硅表面出现反型层，引起PN结面积增大，此时的结面积除了原来的冶金结外，还应加上表面反型产生的“场感应结”。PN结反向漏电流取决于冶金结漏电和场感应结漏电流之和。但场感应结漏电远远大于冶金结漏电，因此对场感应结的漏电流应作详细分析。

PN结反偏时，场感应结产生的反向漏电流是横向通过沟道并流入地端，如图2-3所示。由于N型沟道很薄，有较大的横向电阻，所以横向流过沟道的反向电流必将在沟道上产生较大的电压降，从而导致沟道各处的压降不同。图2-3中B点的电压最大（等于外加反向偏压），沿着Y方向场感应结的压降将逐渐减小，到A点电压变为零，A点位置由Vbc=Ibc*Rch （Rbc是AB之间沟道电阻）。由于场感应结上的压降不均匀，相应的耗尽区宽度也不一样。场感应结中，对反向漏电流有贡献的仅仅上是AB段，通常称这部分场感应结长度为“沟道有效长度”用L表示。A点右方虽然存在沟道，当反偏压Vcb增加时，零偏压点A就向外移动，使流过电流的沟道总面积增加，因而引起沟道电流的增加。如此同时，场感应结耗尽