MOSFET柵氧化層的性能退化分析-KIA MOS管

影響MOS器件及其集成電路可靠性的因素很多，有設計方面的，如材料、器件和工藝等的選取；

有工藝方面的，如物理、化學(xué)等工藝的不穩定性；也有使用方面的，如電、熱、機械等的應力和水汽等的侵入等。

從器件和工藝方面來(lái)考慮，影響MOS集成電路可靠性的主要因素有三個(gè)：一是柵極氧化層性能退化；二是熱電子效應；三是電極布線(xiàn)的退化。

MOSFET的柵極二氧化硅薄膜是決定器件性能的關(guān)鍵性材料。因為二氧化硅薄膜具有良好的絕緣性，同時(shí)它與Si表面接觸的表面態(tài)密度又很低，所以最常用作為柵絕緣層。

柵氧化層一般是采用熱氧化來(lái)制備的，良好氧化層的漏電流基本上為0，并且具有較高的擊穿電場(chǎng)強度（擊穿電場(chǎng)強度約為10MV/cm）。

但是，實(shí)際上發(fā)現，在器件和電路工作時(shí)，有時(shí)會(huì )發(fā)生由于柵氧化層的漏電、并導致?lián)舸┒鸬氖В划a(chǎn)生這種后果的根本原因就是氧化層在電壓作用下性能發(fā)生了退化。

一、柵氧化層性能退化的表現：擊穿

在柵極電壓作用下，柵氧化層發(fā)生性能退化的主要表現就是擊穿。

這里存在兩種類(lèi)型的擊穿：一是瞬時(shí)擊穿（TZDB，Tims Zero Dielectic Breakdown），即是加上電壓后就馬上發(fā)生的擊穿——短路；

二是經(jīng)時(shí)擊穿（TDDB，Tims Dependent Dielectic Breakdown），即是加上電壓后需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后才發(fā)生的擊穿。

MOSFET和MOS-IC的早期失效往往就包括有柵氧化層的TZDB現象。

TDDB的產(chǎn)生與柵氧化層中的電場(chǎng)（柵電壓）有關(guān)。實(shí)驗表明，按照引起擊穿電場(chǎng)的大小，可以把TDDB區分為三種不同的模式：

①模式A--在較低電場(chǎng)（1MV/cm）時(shí)就產(chǎn)生的擊穿；②模式B--在較高電場(chǎng)（數MV/cm）時(shí)產(chǎn)生的擊穿；③模式C--在很高電場(chǎng)（>8MV/cm）時(shí)才可能產(chǎn)生的擊穿。

TDDB的模式A往往是由于氧化層中存在針孔等缺陷的緣故，具有這種模式的早期擊穿的芯片，一般都可通過(guò)出廠(chǎng)前的篩選而淘汰掉，故模式A擊穿將直接影響到芯片的成品率。

由于氧化層中的針孔等缺陷主要是來(lái)自于材料和環(huán)境的污染、微粒之類(lèi)的雜質(zhì)，所以提高材料和工藝的純凈度對于降低出現模式A的幾率、增高成品率具有重要的意義。

TDDB的模式B往往是由于氧化層中存在微量的Na、K等堿金屬和Fe、Ni等重金屬雜質(zhì)的緣故，這些雜質(zhì)離子在較高電場(chǎng)作用下會(huì )發(fā)生移動(dòng)，并且起著(zhù)陷阱能級的作用。

因此，為了提高模式B的擊穿，也必須嚴格保證材料和工藝的純凈度，此外還必須注意晶體表面缺陷吸附重金屬雜質(zhì)所產(chǎn)生的不良影響（則需要關(guān)注襯底的結晶控制技術(shù)）。

TDDB的模式C擊穿電壓很高，接近二氧化硅的固有擊穿特性，這是由于氧化層中不存在雜質(zhì)和缺陷的緣故。

二、MOSFET柵氧化層退化的壽命評估

對于帶有經(jīng)時(shí)擊穿模式B的不良芯片，需要經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間的試驗才能檢測出來(lái)，因此必須事先確立器件壽命的檢測和評估方法。

為了保證集成電路能夠正常工作若干年（一般要求10年以上），就需要在出廠(chǎng)前預測出器件的壽命——壽命評估；這可以通過(guò)TDDB試驗預測出柵氧化層的壽命來(lái)確定器件的壽命。

具體的辦法就是采用所謂加速壽命試驗，即把許多器件置于強電場(chǎng)（高于7MV/cm）、溫度為100 0C左右的條件下，觀(guān)測器件的經(jīng)時(shí)失效率；

一般，柵氧化層的TDDB呈現出兩個(gè)區域：較快擊穿的早期失效區和需要經(jīng)過(guò)很長(cháng)時(shí)間才擊穿的磨損失效區（二氧化硅的固有擊穿區）。為了不讓器件在出廠(chǎng)后就產(chǎn)生問(wèn)題，則必須盡量控制器件的早期失效。

對于較厚柵氧化層的器件，發(fā)現早期擊穿的失效率較高，這說(shuō)明較厚的二氧化硅中含有較多的缺陷。

三、柵氧化層性能退化的機理

柵氧化層出現性能退化的主要原因是強電場(chǎng)使得柵氧化層產(chǎn)生了漏電、并從而導致的擊穿。

1、在強電場(chǎng)作用下，柵氧化層產(chǎn)生漏電往往是一種常見(jiàn)的現象。

實(shí)際上，當氧化層中的電場(chǎng)強度大于6MV/cm時(shí)，即使是非常優(yōu)質(zhì)的氧化層，也將會(huì )產(chǎn)生由于量子效應所引起的所謂F-N（Flowler-Nordheim）型隧道電流。

隨著(zhù)器件尺寸的縮小，氧化層厚度也相應地越來(lái)越薄（對于LSI而言，一般總是選取柵氧化層厚度為溝道長(cháng)度的1/50左右），則氧化層的這種F-N型隧道電流也將越來(lái)越顯著(zhù)。

例如，對于厚度為10nm的柵氧化層，在電源電壓為5V時(shí)，氧化層中的電場(chǎng)就已經(jīng)大于5MV/cm，所以往往就必須考慮F-N型隧道電流以及所引起的擊穿。

2、柵氧化層的不斷漏電，就會(huì )導致氧化層擊穿，這是由于漏電會(huì )使得在氧化層中積蓄起很多電荷（正電荷或者負電荷）的緣故。

因為柵氧化層中往往存在許多陷阱（電子陷阱、空穴陷阱或者中性陷阱），當氧化層有隧道電流通過(guò)時(shí)，則這些陷阱就會(huì )俘獲載流子、積蓄起正電荷或者負電荷，并使得氧化層的局部電場(chǎng)增強；

由于電荷積蓄而導致局部電場(chǎng)增強時(shí)的能帶圖見(jiàn)圖2和圖3，其中圖1是沒(méi)有電荷積蓄時(shí)的能帶圖。

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