可靠性物理-3.1-氧化层中的电荷

方粮05十一月2023微电子电路可靠性物理1.概述

2.可靠性的数学基础

3.失效物理

4.失效分析

5.可靠性设计

6.工艺可靠性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3.7CMOS电路的闩锁效应3.8静电放电损伤3.9辐射损伤3.10软误差3.11水汽的危害3.12NBTI3.13ULSI中铜互连可靠性相关技术微电子电路可靠性物理

3.1氧化层中的电荷

第3章失效物理

失效物理现象—在外界热、电、机械等应力作用下，发生在微电子器件内部及界面处的各种物理和化学的变化及效应；影响—这些效应对微电子器件的正常工作具有不良影响，严重时会引起失效，所以称失效物理，也叫可靠性物理；措施—从可靠性角度出发，针对失效的原因，讨论应采取何种有效措施，来防止器件失效，确保器件正常可靠地工作3.1 氧化层中的电荷

3.1.1电荷的性质与来源3.1.2对可靠性的影响3.1.3降低氧化层电荷的措施

3.1.1氧化层电荷的性质与来源研究始于60年代初期MOS晶体管开始批量生产，发现与硅热氧化结构有关的电荷严重影响着器件的成品率、工作的稳定性和可靠性。氧化层电荷用面密度Q(C／cm2)表示面密度Q：指Si-Si02界面处单位面积上的净有效电荷量，距界面有一定距离时要折合到界面处，“有效”强调了这一点。N＝|Q／q|，表示相应电荷数，q为电子电荷。图3.1SiO2中的电荷

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSiSiO2

▲

▲

▲

▲

(1)固定氧化层电荷Qf

(2)可动电荷Qm

(3)界面陷阱电荷Qit (4)氧化层陷阱电荷Qot

现已公认：在Si-SiO2界面SiO2一侧存在着四种氧化层电荷。

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSiSiO2

▲

▲

▲

▲

(1)固定氧化层电荷Qf

(2)可动电荷Qm

(3)界面陷阱电荷Qit (4)氧化层陷阱电荷Qot

（1）固定氧化层电荷Qf1/2

（1）固定氧化层电荷Qf

2/2定义：Qf是指分布在SiO2一侧距Si-SiO2界面小于2.5nm的氧化层内的正电荷。产生机理：Qf起源于硅材料在热氧化过程中引入的缺陷，如生成离子化的硅或氧空位，它们都带正电而形成正电荷。Qf特点：只与氧化层生长和退火条件有关[1]不随外加偏压和硅表面势变化与硅衬底杂质类型及其浓度基本无关与SiO2层厚度基本无关大量实验发现，固定氧化层电荷Qf与退火条件密切相关。在干的氮气中退火是减少Qf的有效方法之一。[1]

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSiSiO2

▲

▲

▲

▲

(1)固定氧化层电荷Qf

(2)可动电荷Qm

(3)界面陷阱电荷Qit (4)氧化层陷阱电荷Qot

（2）可动电荷Qm1/2

（2）可动电荷Qm2/2

定义：Qm

是SiO2中存在的K+，Na+，Li+等正离子引起的。负离子及重金属离子在500℃以下是不动的，影响较小。产生机理：K+，Na+，Li+较小，在SiO2的扩散为间隙式原子扩散[2]，所需能量较小，半导体工艺需要高度清洁。特点：Qm在一定温度及偏压下即可在SiO2内部或表面产生横向及纵向移动，调制了器件表面势，引起器件参数不稳定。钠性质活泼，地壳中含量很大。除在生产工艺中形成外，在器件工作时也可通过扩散进入SiO2

。(代位式扩散)(间隙式扩散)E(间隙原子的势垒)

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSiSiO2

▲

▲

▲

▲

(1)固定氧化层电荷Qf

(2)可动电荷Qm

(3)界面陷阱电荷Qit

(4)氧化层陷阱电荷Qot

（3）界面陷阱电荷Qit1/5（3）界面陷阱电荷Qit2/5

定义：界面陷阱可接受空穴或电子而带一定电荷，此即界面陷阱电荷。产生机理：界面陷阱也叫快表面态或界面态，起源于Si-Si02界面的结构缺陷、氧化感生缺陷及金属杂质和辐射等引起的其他缺陷。影响：可调制硅表面势，造成器件参数的不稳定性。某些界面陷阱可同时俘获一个电子或一个空穴而起复合中心的作用。缺陷实例：在Si-Si02界面处硅原子在Si02方向晶格结构排列中断而产生的所谓悬空键，就是一种结构缺陷。这种缺陷可接受电荷,即悬空键可与硅表面交换电子或空穴。（3）界面陷阱电荷Qit3/5界面陷阱又称为界面态，包含快界面态和慢界面态（界面陷阱一般指快界面态）。界面态的定义与晶体能级理论有关。快、慢界面态按照纵向位置和在能级中的分布不同而划分。快界面态特点：界面陷阱与固定氧化层电荷有一定的联系。固定氧化层电荷变化，界面陷阱也常常发生变化。高能电荷注入氧化层，会打破栅氧化层中的Si-O键，形成氧化层陷阱。这种陷阱在热应力或电应力下会向Si-SiO2界面处移动，形成界面态，可从MOS电容样品的高频C-V曲线上得知。界面态的数目随低温退火而迅速降低。表面电势变化，将引起界面陷阱电荷变化。位于界面处且较活跃，对表面势改变的响应时间为10-6s量级，可响应高频信号。表面复合中心，对表面复合作用起决定性的影响。外加偏压VG变化，表面电势也改变时，界面态的变化会产生电容效应，使MOS器件的C-V特性曲线形状发生畸变。（3）界面陷阱电荷Qit4/5慢界面态特点：（3）界面陷阱电荷Qit5/5慢态随表面势的变化而变化。慢态具有较长的响应时间，响应时间是ms甚至s级。仅对低频信号有响应。慢态在靠近界面的几个埃的距离内，载流子也可以通过陷阱产生隧穿。

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXSiSiO2

▲

▲

▲

▲

(1)固定氧化层电荷Qf

(2)可动电荷Qm

(3)界面陷阱电荷Qit

(4)氧化层陷阱电荷Qot

（4）氧化层陷阱电荷Qot1/3（4）氧化层陷阱电荷Qot2/3可以是正电荷，也可以是负电荷，取决于氧化层陷阱中俘获的是空穴还是电子。被俘获的载流子来自X射线、γ射线或电子束在氧化层中引起的辐射电离，以及沟道内或衬底的热载流子的注入。

氧化层电荷，除了在硅热氧化等生产工艺过程中形成的之外，在随后器件工作时也会不断产生。Na+离子污染，可从外界环境中通过扩散进入氧化层中Qm。沟道或衬底中的热载流子可越过Si-Si02壁垒进入氧化层中，在Si与Si02的过渡区内如能打断Si-H、Si-OH键或形成其他缺陷，即产生Qit及Qot。Qit和Qot的分布测量技术[1]电荷泵技术(在3．2节介绍)低频噪声测量GIDL（栅引起的漏极泄漏电流）测量亚阈值泄露电流和跨导测量（4）氧化层陷阱电荷Qot3/33.1 氧化层中的电荷

3.1.1电荷的性质与来源3.1.2对可靠性的影响3.1.3降低氧化层电荷的措施

3.1.2对可靠性的影响

四种电荷中，以可动离子电荷最不稳定，对器件可靠性的影响也最大。氧化层中的四种电荷的位置或密度变化对可靠性的影响双极型(导致电流增益和PN结反向漏电变化，击穿电压蠕变等)MOS器件(阈值电压及跨导漂移，甚至源-漏穿通)电荷耦合器件(转移效率降低）调制了硅的表面势凡是与表面势有关的各种电参数均受到影响。氧化层电荷对可靠性的影响1/5

（1）增加PN结反向漏电，降低了结的击穿电压当氧化层中Na＋全部迁移至SiO2表面时，Qm等于0，Na＋全部集中在Si-SiO2界面时，Qm为最大。它可使P区表面反型，形成沟道漏电，从而引起击穿，如图3．2所示。在NPN晶体管中引起基区表面反型，产生沟道，导致TTL电路多发射极晶体管交叉漏电增加，输出管高电平幅度降低，甚至失效。

氧化层电荷对可靠性的影响2/5

氧化层电荷对可靠性的影响3/5（2）引起MOS器件阈值电压漂移，跨导和截止频率下降对N沟MOS管，阈值电压表达式为

其中Qm变化引起UT漂移，漂移超过一定量即为失效。Co：SiO2层单位面积电容QSDmax

：是表面耗尽层最大电荷密度φms：是金属－半导体接触电位差φF：为半导体衬底的费米势氧化层电荷对可靠性的影响4/5（2）引起MOS器件阈值电压漂移，跨导和截止频率下降N沟MOS器件的跨导及截止频率分别正比于：式中L为沟道长度，W为沟道宽度，μeff为N型沟道内载流子有效迁移率μL、μI、μS分别为晶格散射、电离杂质散射及表面漫散射迁移率。Qit是散射中心，使μS降低，其结果使gm及fm降低。

氧化层电荷对可靠性的影响5/5（3）对电流增益hFE及噪声的影响

界面态是一种表面复合中心：Qit可同时俘获(产生)电子-空穴对双极性晶体管发射结附近表面的复合中心浓度，决定其表面的产生-复合电流，Qit增加，必然要降低小电流下的电流增益。发射结雪崩击穿后，热载流子轰击Si—Si02界面，使有效复合中心密度Qit增加，在浅结、重掺杂发射区的双极超高频晶体管中尤为突出。1／f噪声： 作为一种表面复合中心，界面态的产生率或复合率的涨落调制了基区表面少子产生或复合速度，从而产生了叠加在基极和集电极电流上的噪声电流，该电流的均方值与1／f成正比，所以称1／f噪声。导致hFE及输出功率下降3.1 氧化层中的电荷

3.1.1电荷的性质与来源3.1.2对可靠性的影响3.1.3降低氧化层电荷的措施

3.1.3降低氧化层电荷的措施1/2（1）对Qm，在生产工艺中，采取各种防Na+污染的措施。保证容器(改用石英制)、工具和氧化炉管的清洁；热氧化的气氛中加有适量HCl或氯气，对氧化层表面加一层磷硅玻璃钝化层，以固定残存Na+并防止外界侵入的二次污染；（2）对硅材料选用{100}晶面，使Qf及Qit最小。目前工艺已可使氧化层中Qm的含量在1×1010个/cm2以下，即好的C-V测试仪温度-偏压试验测不出可动电荷密度。{100}晶面面密度较