器件goi以及影响它的因素.ppt

器件GOI及其失效原因分析 肖清华 有研半导体材料股份有限公司 Tel:010216 bjxiaoqh@ 主要内容 MOS管结构及GOI定义 GOI失效缘由 GOI的评估 GOI的应变策略 未来的挑战 MOS器件结构及基本工作原理 GOI的定义 GOI失效的缘由 GOI失效的缘由 GOI失效的缘由 GOI失效的缘由 GOI失效的缘由之: GOI失效的缘由之： 颗粒 GOI失效的原因之：COP GOI失效的原因之：COP GOI失效的缘由之：氧沉淀 GOI失效的缘由之：金属杂质 GOI失效的缘由之：有机物 影响GOI的因素之：表面形貌 影响GOI的因素之：表面形貌 影响GOI的因素之：表面形貌 影响GOI的因素之：表面形貌 GOI失效模式 GOI的评估 GOI的评估 GOI的评估 对策strategies 对策 对策： 对策：洁净区和吸杂 对策：外延 对策： 对策：加强监控 对策 未来的挑战 未来的挑战 挑战 挑战 结论 氧化物厚度变化趋势 氧化物介电层越来越薄--?小于5nm。 栅导电机制将可能转为直接隧穿。 导电机制的转变可能导致新的失效模式。 栅氧化物可靠性更加容易受到整个工艺流程的影响，而不仅是氧化物生长步骤。 统计有效地表征栅氧化物可靠性将更困难 * 有研硅股 GOI and the degradation-induced factors ≈ P N N MOS 开关 栅氧化物 金属栅极 低电势 高电势 栅氧化物是MOS器件的“心脏”，它起到隔离金属栅极和电流运行沟道的作用。 栅极氧化物的隔离失效，栅极无法起到开启沟道导通的功能，MOS管失效 MOS管类似于一开关，其中的栅极电压起着开关的作用。 源 漏 全称Gate Oxide Integrity，即栅氧化物完整性。它主要表明栅氧化物电学上“完整”。MOS器件失效的重要原因是栅氧化物的击穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同义词就是GOI。 为了提高器件的速度，增大器件电流，降低阈值电压，栅氧化层厚度需要不断降低。栅氧化层越薄，对其品质要求就越严格，成功的栅氧化层必须具有很低的漏电流或很高的崩溃电场。 理想MOS结构的栅氧化物是一绝缘材料，类似于平板电容器，横跨氧化物的电场可以表示为： E＝Vg/d Vg为栅电压，d为平板间距离，即氧化物厚度 当栅氧化物变薄的时候，对于某一固定的工作电压（5V，现在多为3.3V），其电场强度就增加了。或者，栅氧化物中存在缺陷，局部电场变化。如此一来，电子就可以tunneling产生漏电流或导致崩溃。 栅氧化物中的电场分布 金属极 Si衬底 通过Fowler-Nordheim隧穿机制或热激发，电子由金属极直接进入氧化物的导带 他们在电场中得到能量，加速运动，并与氧化物晶格膨胀给出能量 损失的能量导致： 界面处Si-O键断裂，悬挂键在带隙中引入能级，可以俘获电子和空穴 引起钝化界面陷阱的H的释放； 导致界面处发生碰撞电离，产生更多的热电子和热空穴，空穴再穿越到氧化物中，发生类似于电子的行为 载流子在氧化中的穿越 虽然SiO2这种介电材料是绝缘体，其中一般不发生导电。然而一定条件下，该介电材料会发生击穿，导通电流。击穿类型可以分为本征击穿和非本征击穿。 电击穿：电子在栅氧化物中横跨电场作用下加速运动，与材料晶格碰撞。一般而言，栅氧化物的晶格有足够的能力容纳来自电子碰撞产生的能量。但是，在足够大的电场下，存在于栅氧化物中的电子可以获得较大的动能，引起晶格原子的电离，导致雪崩效应，材料中产生显著的电流。 本征击穿的机理有热击穿、电击穿和热电混合击穿。 热击穿：SiO2中有显著的电流通过时，焦耳热使材料温度升高，反过来又促使电流增大，如此循环下去，在很短时间内SiO2发生局部或全部熔化、分解或挥发而损毁。材料热导率、环境温度、散热条件和电场的持续时间都会影响热击穿电场数值。 栅氧化物的击穿机理 栅氧化物的击穿机理 非本征击穿：是由于SiO2中的针孔、微裂缝、纤维丝、杂质等引起的，是SiO2膜中薄弱环节处的击穿，不能反应SiO2膜本身的固有特征。 Na+ Na+ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ × × × × × × Na+ ＋ ＋ ＋ × ＋ ＋ － － ＋ － SiO2 SiOx Si SiO2中的可动离子电荷固定氧化物电荷 界面陷阱电荷 氧化物陷阱电荷 SiO2层外表面的正负离子 可动离子电荷:主要是Na、K、H等正离子，它们在激活后将移向Si-SiO2界面附近，并在Si表面感应出负电荷，使MOS器件的阈值电压不稳定，还会降低SiO2的介电强度，导致SiO2的过早击穿。 Al 固定氧化物电荷:来源是界面附加过剩硅离子，带正电，不受SiO2厚度、Si中掺杂程度以及界面能带弯曲和电势变化的影响。(111)(1