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考慮，影響MOS集成電路可靠性的主要因素有三個：一是柵極氧化層性能退化；二是熱電子效應；三是電極布線的退化。

MOSFET的柵極二氧化硅薄膜是決定器件性能的關鍵性材料。因為二氧化硅薄膜具有良好的絕緣性，同時它與Si表面接觸的表面態密度又很低，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強度（擊穿電場強度約為10MV/cm）。

但是，實際上發現，在器件和電路工作時，有時會發生由于柵氧化層的漏電、并導致擊穿而引起的失效；產生這種后果的根本原因就是氧化層在電壓作用下性能發生了退化。

一、柵氧化層性能退化的表現：擊穿

在柵極電壓作用下，柵氧化層發生性能退化的主要表現就是擊穿。

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

二是經時擊穿（TDDB，Tims Dependent Dielectic Breakdown），即是加上電壓后需要經過一段時間之后才發生的擊穿。

MOSFET和MOS-IC的早期失效往往就包括有柵氧化層的TZDB現象。

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

①模式A--在較低電場（1MV/cm）時就產生的擊穿；②模式B--在較高電場（數MV/cm）時產生的擊穿；③模式C--在很高電場（>8MV/cm）時才可能產生的擊穿。

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，一般都可通過出廠前的篩選而淘汰掉，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自于材料和環境的污染、微粒之類的雜質，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等重金屬雜質的緣故，這些雜質離子在較高電場作用下會發生移動，并且起著陷阱能級的作用。

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所產生的不良影響（則需要關注襯底的結晶控制技術）。

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和缺陷的緣故。

二、MOSFET柵氧化層退化的壽命評估

對于帶有經時擊穿模式B的不良芯片，需要經過較長時間的試驗才能檢測出來，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），就需要在出廠前預測出器件的壽命——壽命評估；這可以通過TDDB試驗預測出柵氧化層的壽命來確定器件的壽命。

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（高于7MV/cm）、溫度為100 0C左右的條件下，觀測器件的經時失效率；

一般，柵氧化層的TDDB呈現出兩個區域：較快擊穿的早期失效區和需要經過很長時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后就產生問題，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，發現早期擊穿的失效率較高，這說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使得柵氧化層產生了漏電、并從而導致的擊穿。

1、在強電場作用下，柵氧化層產生漏電往往是一種常見的現象。

實際上，當氧化層中的電場強度大于6MV/cm時，即使是非常優質的氧化層，也將會產生由于量子效應所引起的所謂F-N（Flowler-Nordheim）型隧道電流。

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

例如，對于厚度為10nm的柵氧化層，在電源電壓為5V時，氧化層中的電場就已經大于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，就會導致氧化層擊穿，這是由于漏電會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時，則這些陷阱就會俘獲載流子、積蓄起正電荷或者負電荷，并使得氧化層的局部電場增強；

由于電荷積蓄而導致局部電場增強時的能帶圖見圖2和圖3，其中圖1是沒有電荷積蓄時的能帶圖。

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