可靠性3-1.ppt

微电子器件可靠性 3失效物理 3失效物理 本次课内容3 1氧化层中的电荷3 2热载流子效应3 3栅氧击穿3 4电迁移3 5与铝有关的界面效应3 6热电效应补充材料 实例 Rcl失效光点氧化层漏电分析报告热击穿电击穿PN结击穿特性雪崩击穿齐纳击穿二次击穿等 图 本次课要点1 氧化层中有几种电荷 它们的分布和特性如何 对可靠性有何影响 如何降低它们的影响 2 什么热载流子效应 什么是电荷泵技术 热载流子的影响与改进 3 栅氧击穿有几种情况 它们的机理是什么 有何改进措施 4 什么是电迁移 影响电迁移的因素有哪些 抗电迁移措施 铝膜再构与应力迁移与电迁移有何异同 5 铝与硅 与二氧化硅有哪些反应 防止措施有哪些 金与铝有何反应 金铝键合有何缺点 6 什么是热阻 什么是二次击穿 如何改进 Si SiO2界面特性 SiO2内和Si SiO2界面处存在四种界面电荷 可动离子电荷Qm 正电荷 如Na K 1012 1015cm 2 氧化层固定电荷Qf 正电荷 如Si 荷正电的氧空位 1011cm 2 界面陷阱电荷Qit 正或负电荷 快态 Si悬挂键 1011 1012cm 2 氧化层陷阱电荷Qot 正或负电荷 界面电荷危害 在Si表面感应极性相反电荷 影响MOS器件理想特性 Y R 1可动离子电荷Qm主要来源 大量存在环境中 人为 Na 分布 遍布整个SiO2层 Na 特性 DSiO2很大 D0 5 0cm2 s P D0 1 0 x10 8cm2 s B D0 1 0 x10 6cm2 s 在电场作用下 显著漂移 D 可动离子电荷QmNa 对器件性能的影响 引起MOS管VT的漂移 VT Qf Qm Qot C0 ms C0 SiO2层电容 ms 金 半接触电位差 引起MOS管栅极的局部低击穿 Na 在Si SiO2界面分布不均匀引起局部电场加强 降低PN结击穿电压 Na 在Si SiO2界面堆积使P沟道表面反型 形成沟道漏电 Na 数目测量 偏温测试 B T 测不同温度下的高频C V曲线 Na 数目Nm VFB qCOX cm 2 降低Na 的措施 含氯的氧化工艺 干氧中添加含氯气态物 Cl2 HCl C2HCl3 改善SiO2质量 完美钝化效果 减少Na 沾污 正电荷效应减弱 丧失电活性和不稳定性 氧化层表面覆盖PSG或BSG 超纯净化学试剂 如MOS极 2界面陷阱电荷 界面态 Qit来源 Si SiO2界面缺陷 金属杂质及辐射引起的缺陷分布 Si SiO2界面处 能量在Si的禁带中 界面态密度Dit 单位能量的界面陷阱密度 eVcm 2 用禁带中心能级Dit表征陷阱浓度 图2 30 界面态Qit特性 高于Ei 具有受主特性 界面处未被消除的悬挂键 低于Ei 具有施主特性 氧化时引入杂质 氧化中晶体杂质外扩散 界面陷阱电荷 界面态 QitQit的三种物理模型 Si SiO2界面处 存在少量Si悬挂键 得失电子 形成界面态 Si SiO2过渡区 SiOx层 未完全氧化的三价Si也可形成界面态 SiO2中的电离杂质 荷电中心 在Si SiO2界面附近俘获电子或空穴 形成界面态 Si SiO2界面附近的化学杂质 如Cu Fe等Qit特性 表面复合中心 密度决定表面产生 复合电流 影响电流增益 产生 复合率涨落调制表面少子产生 复合速率 噪声电流 1 f噪声 Gm Qit对器件性能的影响 VT漂移 VT Qit surfCox MOS电容C V曲线畸变 漏电流 沟道电导率 1 f噪声 电流增益 Qit控制 工艺相关 晶向选择 111 110 100 氧化温度 T Qit 退火 低温 H2气氛 高温 惰性气体 3氧化层固定电荷QfQf产生机理 氧化停止时 Si SiO2附近存在大量过剩Si离子 Qf特性 通常带正电 极性不随表面势和时间变化 电荷密度不随表面势变化 Qf能级 在Si禁带外 但在SiO2禁带内 Qf对器件的影响 nMOS阈值降低 pMOS阈值增加 散射作用 沟道载流子 影响Gm 4氧化层陷阱电荷QotQot来源 悬挂键 界面陷阱 氧悬挂键 弱Si Si键 扭曲Si O键 Si H键 Si OH键 Qot产生方式 电离辐射 热电子注入 Qot机理 各种射线及高能 低能电子辐射 Si O Si键断裂 产生电子 空穴对 在电场 正偏 作用下 大的电子向栅极移动 小的空穴被陷阱俘获 Si SiO2势垒 电子不能从Si进入SiO2 在Si SiO2界面积累正电荷 同时在Si表面感应出负电荷 减少电离辐射陷阱的方法 高温干氧氧化 1000 惰性气氛低温退火 150 400 采用抗辐射的Al2O3 Si3N4等钝化层 氧化层有多厚 250A 氧化层厚度与灰尘颗粒对比 对可靠性影响 增加PN结漏电空间电荷区展宽 击穿 出现感应结 漏电 引起阈值电压漂移 跨导和截止频率下降 对电流增益及噪声的影响 动态存储器上氧化层电容 产生复合噪声 CCD暗电流 降低氧化层电荷的方法 1Qm 主要防止粘污 清洗 炉管 夹具等 CV监测2选用100晶向的 使Qf及Qit降低 3高温退火 使Qf及Qit降低 4特殊工艺 减少热感生缺陷等 5高温存储 高温反偏筛选 透过栅氧打耗尽 临时办法 缺点 1未解除粘污 造成 馅饼 效果 对可靠性及耐ESD负面影响2将金属正离子赶向Si SiO2界面 加重了正电荷对Vt影响 使Vtp更高 Vtn更低 3透过氧化层做注入 高能离子在氧化层中造成损伤 对后续退火工艺造成压力 加强清洗 不治本 缺点 1靠后工序清洗保证只是治标 2涂胶显影过程造成的缺陷不一定能清洗掉 底片粘污 人像麻脸 3 2热载流子效应 什么是热载流子 热载流子是能量比费米能级大几个KT以上的载流子 当能量超越界面势垒时 进入氧化层 引起器件性能变化 主要指热电子 热载流子对器件影响 对双极器件 电流增益下降 PN结击穿电压蠕变 Qit的存在使晶体管下降 产生噪声 随着Qit增加 情况进一步恶化 甚至导致器件失效 对MOS器件 注入氧化层中 使Qit Qot电荷增加 MOS器件平带电压Ufb 阈值电压Ut漂移 跨导Gm减小 变化达到一定数值即引起失效 雪崩热载流子的产生和注入 类似钱塘江潮 越窄的地方流越急 热载流子的研究方法 电荷泵技术 CP 器件源漏极相连与衬底间施加一反向偏压 栅极连到一脉冲发生器 波形及幅度示波器监视 脉冲常用矩形 脉冲电压使nMOS从堆积到反型 从源 漏区进入沟道的电子 一部分被界面态所俘获 当栅脉冲使沟道回到堆积时 沟道区未被俘获的电子在反向偏压作用下又回到源 漏 被界面态俘获电子与衬底的多子 空穴 复合 通过界面态产生从衬底到漏源电荷流动 即电荷泵电流Icp Isub 由串在衬底回路的电流计测出 热载流子的研究方法 电荷泵技术 影响因素及改进措施 影响因素 温度 低温时电子自由程大 易失控达高速水分杂质 采用氮化硅保护交流情况下比直流严重改进措施降低电场强度 LDD结构 PIN漏MOSFET结构 改进栅氧质量适当增加宽长比筛选试验 低温下增强 工作时 限制UDS UBS的大小 3 3栅氧击穿 击穿情况 1 瞬时击穿电压一加上去 电场强度达到或超过该介质材料所能承受的临界场强 介质中流过的电流很大而马上击穿 这叫本征击穿 实际栅氧化层中 某些局部位置厚度较薄 电场增强 也可存在空洞 针孔或盲孔 裂缝 杂质 纤维丝等疵点 它引起气体放电 电热分解等情况产生介质漏电甚至击穿 由这些缺陷引起的介质击穿叫非本征击穿 2 TDDB 经时击穿timedependentdielectricbreakdown 与时间有关的介质击穿是指施加的电场低于栅氧的本征击穿场强 并未引起本征击穿 但经历一定时间后仍发生了击穿 这是由于施加电应力过程中 氧化层内产生并积聚了缺陷 陷阱 的缘故 非本征击穿 非本征击穿 栅氧化层击穿 击穿机理与改进措施 击穿机理三个阶段 建立阶段 热电反馈阶段 击穿阶段 如蚁穴溃坝 三种解释 FN隧穿 碰撞电离 界面态产生改进措施注意原材料中杂质的含量洁净措施 防止沾污二步或三步氧化 干 湿干 湿 干掺氯氧化防静电损伤 3 4电迁移 电迁移现象 金属离子沿电荷方向产生质量的输运的现象 电子风 风 吹动了原子 石头 影响因素 布线几何形状台阶拐弯热效应晶粒大小覆盖介质膜 防划伤 腐蚀 离子沾污 合金加入SiCu等脉冲电流直流情况 铝线电迁移开路 失效模式及防止措施 失效模式 短路开路参数退化防止措施 设计 版图 热 大条宽 金属化图形 有源器件分散 封装 工艺 控制 镜检 大晶粒 材料 Si Cu Al 难熔金属硅化物 多层结构 Pt5Si2 Ti Pt Au 欧姆接触 粘附层 过渡阻挡 导电 覆盖 PSG Al2O3 Si3O4抑制表面扩散 热沉效应 铝膜再构应力迁移 铝膜再构 厚铝 热循环或功率老化 类似电迁移 但机理主要是热应力引起 应力迁移 薄铝 与电迁移区别 但实际中比较难区别 3 5与铝有关的界面效应 铝与二氧化硅4Al 3SiO2 2Al2O3 3Si克服措施 版图设计时考虑热分布均匀 散热好 热阻低 采用如SiO2 Al2O3 SiO2或Si3N4 SiO2复合钝化层 用双层金属如Ti A1 W Al等代替单一铝互连线 铝与硅 物理过程 1 形成固溶体 2 硅在铝中的电迁移 3 铝在硅中电热迁移失效模式E B结退化铝肖特基二极管失效结间短路防止措施采用硅铝丝代替铝多层金属化加阻挡层 金与铝 金引出线与铝互连线间或铝键合丝与管壳镀金引线键合处 产生Au A1界面接触 两种金属化学势不同 长期使用或 200 高温存贮产生多种金属间化合物 如Au5A12 Au2Al Au4A1 AuAl AuAl2等 晶格常数和热膨胀系数均不相同 在键合点内产生很大应力 电导率较低 Au Al反应造成A1层变薄 砧附力下降 半断线状态 接触电阻增加 导致开路失效 AuAl2发紫色叫紫斑 Au2Al呈白色叫白斑 性脆 易产生裂纹引起开路 Au A1接触300 以上高温下容易发生空洞 Kirkendall效应 因高温下金向铝中迅速扩散形成Au2A1 在键合点四周出现环形空洞 铝膜部分或全部脱离 形成高阻或开路 金 铝控合处开路失效后 在电测试中又会恢复正常 时通时断现象 可进行高温 200 以上 存贮 观察开路失效是否再次出现来确定 3 6热电效应 热阻 传热能力 结温与寿命关系密切 尽量降低梯度 热源分配合理热应力 破坏性失效 过热烧毁热疲劳 龟裂 虚焊等 时好时坏 二次击穿 现象 在某个工作点 电压突然上升 电流突然增大 出现负阻 若无保护 器件将被烧毁 热击穿 还不到雪崩击穿的时候 与雪崩击穿不同 电击穿 可恢复 雪崩击穿在电场作用 载流子能量增大 不断与晶体原子相碰 共价键中电子激发形成自由电子 空穴对 新产生的载流子通过碰撞产生自由电子空穴对 倍增效应 1生2 2生4 像雪崩一样增加载流子 防止 设计 限流工艺 缺陷使用 安全区 补充材料 热击穿电击穿 PN结击穿特性 图 PN结击穿 PN结击穿有两种热击穿电击穿 1 电击穿 电击穿可逆 可恢复 有限流电阻时 电击穿有两种机理 雪崩击穿齐纳击