器件GOI及影响它的因素PPT课件.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 010 82241104 216bjxiaoqh GOIandthedegradation inducedfactors 2020 3 19 1 2020 3 19 可编辑 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 2020 3 19 可编辑 MOS器件结构及基本工作原理 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 2020 3 19 可编辑 GOI的定义 全称GateOxideIntegrity 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 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由 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 dVg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 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由 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 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由 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 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由 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 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由之 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 111 110 100 氧化温度高 氧化速率低 干氧化有利于这部分电荷的减少 界面陷阱电荷 来源是Si和SiO2界面的不连续 导致界面处Si的悬挂键存在 它们在禁带中呈一些分离的或连续的能级或电子状态 半导体表面处的晶格缺陷 机械损伤和杂质污染都可以使界面陷阱电荷密度增加 它们会增加MOS管的阈值电压 降低表面沟道载流子迁移率和跨导 引起器件性能不稳定 该类电荷与衬底晶向有关 111 110 100 氧化物陷阱电荷 来源是电离辐射 雪崩注入或其它类似过程注入到SiO2中的空穴或电子 他是MOS管负偏压不稳定的原因之一 甚至会使有效沟道长度发生变化 外表面正负离子 来源于制造过程中的沾污 主要是影响电极引线漏电 Si SiO2系统中的电荷 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由之 颗粒 particle 硅片表面异质颗粒是栅氧化物中针孔缺陷形成的重要原因之一 因为它可以导致栅氧化物减薄 甚至穿透氧化物 电力线在颗粒处汇集 导致此处电场显著增大 进而引发器件击穿 2020 3 19 可编辑 GOI失效的原因之 COP 什么是COP 2020 3 19 可编辑 GOI失效的原因之 COP 氧化物生长过程中 垂直衬底面向的方向比垂直V型槽壁的方向生长快 因此 COP导致其内壁及其边缘氧化物厚度变薄 电场在此聚集 容易击穿 COP对GOI的影响还取决于栅氧化物厚度 该厚度在40 50nm时 影响最大 而当厚度减至5nm左右时 COP的影响甚微 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由之 氧沉淀 氧沉淀的影响在于诱发位错和层错等二次缺陷 增加漏电流 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由之 金属杂质 2003ITRS指定Ca Ba Sr和Fe为GOIkiller 它们的表面金属量不应大于5E9 Fe杂质影响GOI的原因在于Fe金属扩散到SiO2 Si界面形成沉淀 并可能刺入氧化物中 这导致氧化物变薄 在沉淀尖端处电场增大 Fe在氧化物中还可形成与Fe有关的陷阱 或者分解氧化物 或者形成金属硅酸盐 Cu污染比Ni对GOI的影响更大 2020 3 19 可编辑 GOI失效的缘由之 有机物 有机物影响GOI的原因在于 有机物对所覆盖区域起到掩蔽的作用 导致沉淀栅氧化物之前的原生氧化物去除不彻底 最终导致栅氧化物的不均匀有机物热分解后容易与Si反应形成SiC沉淀 进而导致栅氧化物的局部变薄 易成为电场汇聚点 导致击穿 2020 3 19 可编辑 影响GOI的因素之 表面形貌 硅片表面形貌依据横向空间波长可以分为 平整度 纳米形貌和表面微粗糙度 2020 3 19 可编辑 影响GOI的因素之 表面形貌 平整度对光刻精确度有显著影响 但对GOI并未有特别直接的影响 2020 3 19 可编辑 影响GOI的因素之 表面形貌 ITRS2003revision版认为 正表面纳米形貌是最重要的形貌参数 它对器件的影响是两方面的 一个是光刻尺寸不均一 另一个是CMP工艺不均一 双面抛光DSP可以比单面抛光SSP得到更好的平整度和纳米形貌 2020 3 19 可编辑 影响GOI的因素之 表面形貌 粗糙度一般认为粗糙度对GOI的影响不明显 也有研究表明 虽然rms值对GOI没有显著影响 但最大P V值与GOI损失有一定关联 2020 3 19 20 2020 3 19 可编辑 GOI失效模式 A模式 击穿发生在电场范围0 3MV cm 这是瞬间失效 一般归因于针孔缺陷或重金属污染 B模式 击穿发生在3 8MV cm范围 主要归因于COP 表面呈V型槽的COP导致槽内和边缘氧化物薄于正表面的 C模式 击穿发生在8 11MV cm 初始材料表面附近氧沉淀是原因之一 超过11MV cm才击穿 氧化物可以说是理想的 2020 3 19 可编辑 GOI的评估 验证栅氧化物可靠性的常见方法 Ebd Electricfield to breakdown 这是常使用的方法 给氧化物加上恒定或不断增加的电压 并测定电场 当电场超过一定值时发生击穿 栅极电压偏移 gatevoltageshift VG 加一定电流到试片 量测栅极电压的变化量 VG VG VG0崩溃电荷Qbd Charge to breakdown 将电压加到MOS结构上 促使一可控制电流通过氧化物 即注入一定量电荷进入氧化物 直到它失效 电流密度J 时间JBDThetime dependentdielectricbreakdown TDDB 这是判断氧化物介电质量的最有用也是最主要的方法 TDDB测量主要有四种不同的方式 Constantvoltage CVTDDB ConstantCurrent CCTDDB rampedvoltage SVTDDB orV Ramp 以及rampedCurrent SCTDDBorJ Ramp 加电压或电流到试片 量测其崩溃所需的时间 常常需要利用外插法来预测其寿命长短 TZDB Timezerodielectricbreakdown 给试片的栅氧化物加上阶梯电压 直到漏电流大于某一数值或有一跳跃电流 称为硬击穿 2020 3 19 可编辑 GOI的评估 2020 3 19 可编辑 GOI的评估 Note 对越来越薄的氧化物厚度 氧化物中陷阱密度减小 测试结构面积 所加电压 电流 极性等对得到的QBD等数据的影响要加以考虑 面积的影响 温度的影响 2020 3 19 可编辑 对策strategies 从初始材料形成到MOS结构制备的基本流程 初始材料封装 栅前清洗 氧化物热生长 高温致密化 清洗 金属欧姆接触 单晶生长 切片 磨片 腐蚀 热退火 抛光 清洗 清洗 氧化物沉积 2020 3 19 可编辑 对策 COP的本质 空位的聚集体 是晶体生长过程中特定热历史条件下形成的原生缺陷 它在1150 1080 范围成核生长 2020 3 19 可编辑 对策 完美晶体生长 OPTIA 需严格控制v G在临界值上下10 高温退火ArorH2下常规炉退火 HAIandIGNaNawafers RTP处理结合COPs的预控制 外延薄膜沉积 AEGIS fLASH NaNaEpi COP缺陷的控制和消除 2020 3 19 可编辑 对策 洁净区和吸杂 氧沉淀 层错等微缺陷 PSG沉积 机械损伤 离子注入损伤 多晶硅 氮化物 激光损伤 H He注入产生的空腔 2020 3 19 可编辑 对策 外延 2020 3 19 可编辑 对策 真空封装 缩短硅片存储时间 硅片在存储6至18个月 硅片表面改变 严格控制硅片包装内的湿度 表面有机物 离子氧化物厚度 金属 及颗粒很稳定 2020 3 19 可编辑 对策 加强监控 TXRF 检测硅片表面金属颗粒 ICP MS 检测硅片金属颗粒和有机物 激光散射颗粒仪 检测表面颗粒和COP 可以分辨 0 12um的颗粒 AFM 表面形貌 纵向分辨率可以达到0 1 1 SPV 检测硅片体内Fe含量 2020 3 19 可编辑 对策 COP测试原理 2020 3 19 可编辑 未来的挑战 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