超簿氧化层的击穿课件

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系1超薄氧化层的可靠性近年在超薄氧化层可靠性方面的两个新问题1。超薄氧化层的应力漏电(StressInducedLeakageCurrent,SILC),软击穿（SBD,SoftBreakDown）。2.PMOS器件的负偏不稳定性(NegativeBiasTemperatureInstability,NBTI)微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系1超薄氧化层的可靠性近年微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系2超薄氧化层的几种现象1。正常特性2。应力漏电StressInducedleakageCurrent3。软击穿SoftBreakdown4。硬击穿微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系2超薄氧化层的几种现象1微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系3超薄氧化层的应力漏电(SILC)应力漏电（SILC）是1982年在加了恒定电应力(6.3V）的5nm超薄氧化层中发现的。在一个n+PolySi/SiO2/n+Si的电容(10-4cm2)两端施加高压，其电场达到12MV/cm，测得如图（1）所示的电流和栅压关系曲线。

经正、负电应力前后的I－V曲线

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系3超薄氧化层的应力漏电(微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系4应力漏电的性质应力漏电流的大小是随时间而衰减的，它可以分为两部分：a.瞬时电流Jtr;随时间而衰减的；b.直流电流Jss:大小恒定的。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系4应力漏电的性质应力漏电微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系5应力漏电的性质SILC与氧化层电容面积的关系:SILC与氧化层电容的面积成正比。这说明SILC的导电沟道均匀分布于整个氧化层的表面，而不是存在于个别的点中。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系5应力漏电的性质SILC微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系6应力漏电的性质SILC与氧化层厚度的关系

TOX>5nm，SILC随氧化层厚度的减小而增加

TOX<5nm，SILC随氧化层厚度的减小而减小

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系6应力漏电的性质SILC微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系7应力漏电的性质JSILC

与Jstress、TOX的关系(a)Ig(Vg)characteristicsforJstress=10mA/cm2aftervariousstressdoses.(b)SILCdensityevolutionduringthestressfor5.5,7and10nmoxides(Jstress=10mA/cm2).微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系7应力漏电的性质JSIL微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系8应力漏电的性质SILC的温度特性：SILC是随着温度的升高而增加，但其热激活能很小

,所以它的变化仍是微弱的

.SILC与测量电压的关系SILC随测量时电场的增强而增加。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系8应力漏电的性质SILC微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9应力漏电的来源起源于在氧化层电流应力产生的陷阱。瞬时电流这些缺陷与SiO2界面靠得很近，在外加电场的作用下，缺陷中的电荷发生充电或放电过程，因而产生瞬时电流。直流电流在电场下弹性或非弹性陷阱辅助隧道电流

非弹性陷阱辅助隧道模型

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9应力漏电的来源起源于在微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系10SILC对器件可靠性的影响

SILC影响氧化层漏电流因而对EEPROM、FlashMemory影响较明显：它使浮栅阈值电压的漂移和数据保持的性能退化。SILC造成浮栅上电荷丢失，使得浮栅的阈值电压产生漂移。

经擦/写后，浮栅漏电流与电压的典型曲线微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系10SILC对器件可靠性微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11

软击穿软击穿的漏电流比SILC大2-3个数量级，但比击穿电流小4-6个数量级。

软击穿漏电流不随着器件面积的减小而减小。这说明它是一种局部失效。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11

软击穿软击穿的漏微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系12软击穿模式

软击穿可分为两种模式：1）模拟信号模式（analog-modesoftbreakdown），2）数字信号模式（digital-modesoftbreakdown）。数字信号模式的栅电流的波动有大于模拟信号模式，并且在高的栅压下，数字信号模式将产生更大的漏电流微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系12软击穿模式软击穿可微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系13超薄氧化层直接隧道的偏置温度不稳定性

1999年N.Kimizuka等首先在氧化层厚度tox=2.0~4.0nm的N及P－MOSFET中观察到隧道超薄氧化层的偏置温度不稳定性。PMOSFET的最大应力为－3.0V（在－3.5V会因碰撞电离产生电子、空穴对).试验温度高温为100℃和150℃。试验进行了105秒（27.7小时）试验发现：1器件的VT和GM随栅极发生漂移。2PMOSFET比NMOSFET的漂移要大一个数量级。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系13超薄氧化层直接隧道的微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系14PMOSNBTI的特性VT与偏置时的温度、电压有强烈的关系。VT与时间的n次方成正比，即VT～t1/4.微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系14PMOSNBT微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15PMOSNBTI的特性当氧化层的厚度越薄，同样条件下VT的漂移越大.氧化层厚度不同的器件的漂移曲线相互平行.。试验结果表明，VT的漂移随着PMOSFET沟道长度的减小而增加

PMOSFET(TOX＝1.3nm)NBTI应力试验，阈值电压漂移与时间的关系.应力条件：温度T＝100℃，VG＝2.7V微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15PMOSNBT微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16PMOSNBTI的来源VT的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比关系

NBTI应力试验中PMOSFET(TOX＝1.3nm)，阈值电压漂移与DCIV电流的关系曲线。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16PMOSNBT微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17PMOSNBTI的来源VT的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比关系

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17PMOSNBT微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系18NBTI缺陷产生机理微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系18NBTI缺陷产生机理微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系19NBTI与HC与NMOSFET热载流子效应相比，PMOSFETNBTI对器件工作寿命的限制更为重要，VD低于3V时，NBTI比热载流子的寿命更短。

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系19NBTI与HC与NM微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系20NBTI与HC与NMOSFET热载流子效应相比，PMOSFET的NBTI对器件工作寿命的限制更为重要，VD低于3V时，NBTI比热载流子的寿命更短。

器件参数与CHC、NBTI微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系20NBTI与HC与NM微电子器件的可靠性复旦大学