器件GOI及其失效原因分析肖清華有研半導(dǎo)體材料股份有限公司Tel:010-82241104-GOI and the degradation-induced factors醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股主要內(nèi)容MOS管結(jié)構(gòu)及GOI定義GOI失效緣由GOI的評(píng)估GOI的應(yīng)變策略未來(lái)的挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股MOS器件結(jié)構(gòu)及基本工作原理PNNMOS開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)柵氧化物金屬柵極低電勢(shì)高電勢(shì)柵氧化物是MOS器件的“心臟”，它起到隔離金屬柵極和電流運(yùn)行溝道的作用。柵極氧化物的隔離失效，柵極無(wú)法起到開(kāi)啟溝道導(dǎo)通的功能，MOS管失效 MOS管類似于一開(kāi)關(guān)，其中的柵極電壓起著開(kāi)關(guān)的作用。源漏醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的定義全稱Gate Oxide Integrity，即柵氧化物完整性。它主要表明柵氧化物電學(xué)上“完整”。MOS器件失效的重要原因是柵氧化物的擊穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同義詞就是GOI。為了提高器件的速度，增大器件電流，降低閾值電壓，柵氧化層厚度需要不斷降低。柵氧化層越薄，對(duì)其品質(zhì)要求就越嚴(yán)格，成功的柵氧化層必須具有很低的漏電流或很高的崩潰電場(chǎng)。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由理想MOS結(jié)構(gòu)的柵氧化物是一絕緣材料，類似于平板電容器，橫跨氧化物的電場(chǎng)可以表示為：EVg/dVg為柵電壓，d為平板間距離，即氧化物厚度當(dāng)柵氧化物變薄的時(shí)候，對(duì)于某一固定的工作電壓（5V，現(xiàn)在多為3.3V），其電場(chǎng)強(qiáng)度就增加了。或者，柵氧化物中存在缺陷，局部電場(chǎng)變化。如此一來(lái)，電子就可以tunneling產(chǎn)生漏電流或?qū)е卤罎?。柵氧化物中的電?chǎng)分布醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由金屬極Si襯底通過(guò)Fowler-Nordheim隧穿機(jī)制或熱激發(fā)，電子由金屬極直接進(jìn)入氧化物的導(dǎo)帶他們?cè)陔妶?chǎng)中得到能量，加速運(yùn)動(dòng)，并與氧化物晶格膨脹給出能量損失的能量導(dǎo)致：界面處Si-O鍵斷裂，懸掛鍵在帶隙中引入能級(jí)，可以俘獲電子和空穴引起鈍化界面陷阱的H的釋放；導(dǎo)致界面處發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的熱電子和熱空穴，空穴再穿越到氧化物中，發(fā)生類似于電子的行為載流子在氧化中的穿越醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由雖然SiO2這種介電材料是絕緣體，其中一般不發(fā)生導(dǎo)電。然而一定條件下，該介電材料會(huì)發(fā)生擊穿，導(dǎo)通電流。擊穿類型可以分為本征擊穿和非本征擊穿。電擊穿電擊穿：電子在柵氧化物中橫跨電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，與材料晶格碰撞。一般而言，柵氧化物的晶格有足夠的能力容納來(lái)自電子碰撞產(chǎn)生的能量。但是，在足夠大的電場(chǎng)下，存在于柵氧化物中的電子可以獲得較大的動(dòng)能，引起晶格原子的電離，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)，材料中產(chǎn)生顯著的電流。本征擊穿的機(jī)理有熱擊穿、電擊穿和熱電混合擊穿。熱擊穿熱擊穿：SiO2中有顯著的電流通過(guò)時(shí)，焦耳熱使材料溫度升高，反過(guò)來(lái)又促使電流增大，如此循環(huán)下去，在很短時(shí)間內(nèi)SiO2發(fā)生局部或全部熔化、分解或揮發(fā)而損毀。材料熱導(dǎo)率、環(huán)境溫度、散熱條件和電場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間都會(huì)影響熱擊穿電場(chǎng)數(shù)值。柵氧化物的擊穿機(jī)理醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由柵氧化物的擊穿機(jī)理非本征擊穿：是由于SiO2中的針孔、微裂縫、纖維絲、雜質(zhì)等引起的，是SiO2膜中薄弱環(huán)節(jié)處的擊穿，不能反應(yīng)SiO2膜本身的固有特征。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之:Na+Na+Na+SiO2SiOxSiSiO2中的可動(dòng)離子電荷固定氧化物電荷界面陷阱電荷氧化物陷阱電荷SiO2層外表面的正負(fù)離子可動(dòng)離子電荷:主要是Na、K、H等正離子，它們?cè)诩せ詈髮⒁葡騍i-SiO2界面附近，并在Si表面感應(yīng)出負(fù)電荷，使MOS器件的閾值電壓不穩(wěn)定，還會(huì)降低SiO2的介電強(qiáng)度，導(dǎo)致SiO2的過(guò)早擊穿。Al固定氧化物電荷:來(lái)源是界面附加過(guò)剩硅離子，帶正電，不受SiO2厚度、Si中摻雜程度以及界面能帶彎曲和電勢(shì)變化的影響。(111)(110)(100)。氧化溫度高、氧化速率低、干氧化有利于這部分電荷的減少。界面陷阱電荷:來(lái)源是Si和SiO2界面的不連續(xù)，導(dǎo)致界面處Si的懸掛鍵存在，它們?cè)诮麕е谐室恍┓蛛x的或連續(xù)的能級(jí)或電子狀態(tài)。半導(dǎo)體表面處的晶格缺陷、機(jī)械損傷和雜質(zhì)污染都可以使界面陷阱電荷密度增加。它們會(huì)增加MOS管的閾值電壓，降低表面溝道載流子遷移率和跨導(dǎo)，引起器件性能不穩(wěn)定。該類電荷與襯底晶向有關(guān)，（111)(110)(100)。氧化物陷阱電荷:來(lái)源是電離輻射、雪崩注入或其它類似過(guò)程注入到SiO2中的空穴或電子。他是MOS管負(fù)偏壓不穩(wěn)定的原因之一，甚至?xí)褂行系篱L(zhǎng)度發(fā)生變化。外表面正負(fù)離子:來(lái)源于制造過(guò)程中的沾污，主要是影響電極引線漏電。Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：顆粒顆粒Vgdparticle硅片表面異質(zhì)顆粒是柵氧化物中針孔缺陷形成的重要原因之一，因?yàn)樗梢詫?dǎo)致柵氧化物減薄，甚至穿透氧化物。電力線在顆粒處匯集，導(dǎo)致此處電場(chǎng)顯著增大，進(jìn)而引發(fā)器件擊穿。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的原因之：COP什么是COP？醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的原因之：COP氧化物生長(zhǎng)過(guò)程中，垂直襯底面向的方向比垂直V型槽壁的方向生長(zhǎng)快。因此，COP導(dǎo)致其內(nèi)壁及其邊緣氧化物厚度變薄，電場(chǎng)在此聚集，容易擊穿。COP對(duì)GOI的影響還取決于柵氧化物厚度，該厚度在40-50nm時(shí)，影響最大，而當(dāng)厚度減至5nm左右時(shí)，COP的影響甚微。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：氧沉淀氧沉淀氧沉淀的影響在于誘發(fā)位錯(cuò)和層錯(cuò)等二次缺陷，增加漏電流醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：金屬雜質(zhì)金屬雜質(zhì)2003 ITRS指定Ca、Ba、Sr和Fe為GOI killer，它們的表面金屬量不應(yīng)大于5E9Fe雜質(zhì)影響GOI的原因在于Fe金屬擴(kuò)散到SiO2/Si界面形成沉淀，并可能刺入氧化物中。這導(dǎo)致氧化物變薄，在沉淀尖端處電場(chǎng)增大。Fe在氧化物中還可形成與Fe有關(guān)的陷阱，或者分解氧化物，或者形成金屬硅酸鹽Cu污染比Ni對(duì)GOI的影響更大。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物影響GOI的原因在于：有機(jī)物對(duì)所覆蓋區(qū)域起到掩蔽的作用，導(dǎo)致沉淀柵氧化物之前的原生氧化物去除不徹底，最終導(dǎo)致柵氧化物的不均勻有機(jī)物熱分解后容易與Si反應(yīng)形成SiC沉淀，進(jìn)而導(dǎo)致柵氧化物的局部變薄，易成為電場(chǎng)匯聚點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)舸┽t(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌硅片表面形貌依據(jù)橫向空間波長(zhǎng)可以分為：平整度、納米形貌和表面微粗糙度?？臻g波長(zhǎng)空間波長(zhǎng)起起伏伏幅幅度度2nm100m200m20mm20mm200mm微粗糙度微粗糙度平整度平整度納米形貌納米形貌0.1nm1nmN100nmN1nm0.1m10m醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌平整度對(duì)光刻精確度有顯著影響，但對(duì)GOI并未有特別直接的影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌ITRS2003 revision版認(rèn)為，正表面納米形貌是最重要的形貌參數(shù)，它對(duì)器件的影響是兩方面的。一個(gè)是光刻尺寸不均一，另一個(gè)是CMP工藝不均一。雙面拋光DSP可以比單面拋光SSP得到更好的平整度和納米形貌。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌粗糙度一般認(rèn)為粗糙度對(duì)GOI的影響不明顯，也有研究表明，雖然rms值對(duì)GOI沒(méi)有顯著影響，但最大P-V值與GOI損失有一定關(guān)聯(lián)。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效模式A模式：擊穿發(fā)生在電場(chǎng)范圍0-3MV/cm。這是瞬間失效，一般歸因于針孔缺陷或重金屬污染。B模式：擊穿發(fā)生在3-8MV/cm范圍，主要?dú)w因于COP。表面呈V型槽的COP導(dǎo)致槽內(nèi)和邊緣氧化物薄于正表面的。C模式：擊穿發(fā)生在8-11MV/cm。初始材料表面附近氧沉淀是原因之一。超過(guò)11MV/cm才擊穿，氧化物可以說(shuō)是理想的。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評(píng)估驗(yàn)證柵氧化物可靠性的常見(jiàn)方法：Ebd(Electric field-to-breakdown):這是常使用的方法，給氧化物加上恒定或不斷增加的電壓，并測(cè)定電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)超過(guò)一定值時(shí)發(fā)生擊穿。柵極電壓偏移(gate voltage shift,VG)：加一定電流到試片，量測(cè)柵極電壓的變化量,VG=VG VG0 崩潰電荷Qbd(Charge-to-breakdown):將電壓加到MOS結(jié)構(gòu)上，促使一可控制電流通過(guò)氧化物，即注入一定量電荷進(jìn)入氧化物，直到它失效。電流密度J*時(shí)間JBDThe time-dependent dielectric breakdown（TDDB)，這是判斷氧化物介電質(zhì)量的最有用也是最主要的方法。TDDB測(cè)量主要有四種不同的方式：Constant voltage(CVTDDB)，Constant Current(CCTDDB)，ramped voltage(SVTDDB，or V-Ramp)以及ramped Current（SCTDDB or J-Ramp)。加電壓或電流到試片，量測(cè)其崩潰所需的時(shí)間。常常需要利用外插法來(lái)預(yù)測(cè)其壽命長(zhǎng)短。TZDB(Time zero dielectric breakdown):給試片的柵氧化物加上階梯電壓，直到漏電流大于某一數(shù)值或有一跳躍電流（稱為硬擊穿）。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評(píng)估醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評(píng)估Note:對(duì)越來(lái)越薄的氧化物厚度，氧化物中陷阱密度減小，測(cè)試結(jié)構(gòu)面積、所加電壓/電流、極性等對(duì)得到的QBD等數(shù)據(jù)的影響要加以考慮。面積的影響溫度的影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策strategies從初始材料形成到MOS結(jié)構(gòu)制備的基本流程初始材料封裝柵前清洗氧化物熱生長(zhǎng)高溫致密化清洗金屬歐姆接觸單晶生長(zhǎng)切片磨片腐蝕熱退火拋光清洗清洗氧化物沉積醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策：v完美晶體生長(zhǎng)(OPTIA)需嚴(yán)格控制需嚴(yán)格控制 v/G v/G 在臨界值上下在臨界值上下 10%10%v 高溫退火 Ar or H2下常規(guī)爐退火(HAI and IG NaNa wafers).RTP處理結(jié)合 COPs 的預(yù)控制v 外延薄膜沉積(AEGIS,fLASH!,NaNa Epi).快速提拉摻氮拉晶COP缺陷的控制和消除缺陷的控制和消除醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策：潔凈區(qū)和吸雜潔凈區(qū)和吸雜氧沉淀、層錯(cuò)等微缺陷PSG沉積、機(jī)械損傷、離子注入損傷、多晶硅、氮化物、激光損傷H、He注入產(chǎn)生的空腔醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策：外延外延醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策：真空封裝，縮短硅片存儲(chǔ)時(shí)間硅片在存儲(chǔ)6至18個(gè)月，硅片表面改變嚴(yán)格控制硅片包裝內(nèi)的濕度，表面有機(jī)物、離子氧化物厚度、金屬、及顆粒很穩(wěn)定。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策：加強(qiáng)監(jiān)控加強(qiáng)監(jiān)控TXRF：檢測(cè)硅片表面金屬顆粒，ICP-MS：檢測(cè)硅片金屬顆粒和有機(jī)物激光散射顆粒儀：檢測(cè)表面顆粒和COP，可以分辨0.12um的顆粒AFM：表面形貌，縱向分辨率可以達(dá)到0.11SPV：檢測(cè)硅片體內(nèi)Fe含量，ElementFeNiCuCrCaZnSClExitationWWWWWWWWLLD(E9 atom/cm23.12.01.65.0171.38954醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對(duì)策COP測(cè)試原理醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股未來(lái)的挑戰(zhàn)氧化物厚度變化趨勢(shì)氧化物介電層越來(lái)越薄-小于5nm。柵導(dǎo)電機(jī)制將可能轉(zhuǎn)為直接隧穿。導(dǎo)電機(jī)制的轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致新的失效模式。柵氧化物可靠性更加容易受到整個(gè)工藝流程的影響，而不僅是氧化物生長(zhǎng)步驟。統(tǒng)計(jì)有效地表征柵氧化物可靠性將更困難醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股未來(lái)的挑戰(zhàn)厚度溫度影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股結(jié)論GOI退化的根源是多方面的，既可能出現(xiàn)于芯片廠商處，也可能來(lái)自于材料供應(yīng)商，這需要雙方共同查找緣由。醫(yī)療模板醫(yī)療模板醫(yī)療模板醫(yī)療模板