超簿氧化层的击穿.ppt

1、微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,1,微电子器件的可靠性 Microelectronis Reliability,第六章 超薄氧化层的可靠性,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 (Stress Induced Leakage Current, SILC), 软击穿（SBD, Soft BreakDown） 。 2.PMOS器件的负偏不稳定性(Negative Bias Temperature Instability, NBTI),微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,3,超薄氧化层的几种现象,

2、1。正常特性 2。应力漏电 Stress Induced leakage Current 3。软击穿 Soft Breakdown 4。硬击穿,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,4,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+Poly Si/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IV曲线,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,应力漏电流的大小是随时间而衰减的，它可以分为两

3、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,6,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,7,应力漏电的性质,SILC与氧化层厚度的关系 TOX5nm，SILC随氧化层厚度的减小而增加 TOX5nm，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,8,应力漏电的性质,JSILC 与Jstress 、TOX 的关系 (a)Ig(Vg)

4、 characteristics for Jstress=10 mA/cm2 after various stress doses. (b) SILC density evolution during the stress for 5.5, 7 and 10 nm oxides (Jstress=10 mA/cm2).,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,9,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,10,应力漏电

5、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,11,SILC对器件可靠性的影响,SILC影响氧化层漏电流因而对EEPROM、Flash Memory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,12,软击穿,软击穿的漏电流比

6、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,13,软击穿模式,软击穿可分为两种模式： 1）模拟信号模式（analog-mode soft breakdown）， 2）数字信号模式（digital-mode soft breakdown）。 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,14,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

7、=2.0 4.0nm 的N 及PMOSFET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。 2 PMOSFET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,15,PMOS NBTI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,16,PMOS NBTI的特性,当氧化层的厚度越薄，同样条件

8、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,PMOS FET (TOX1.3nm) NBTI应力试验，阈值电压漂移与时间的关系.应力条件： 温度T100，VG2.7V,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,17,PMOS NBTI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PMOS FET (TOX1.3nm) ，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,18,PMOS NBTI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,19,NBTI缺陷产生机理,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,20,NBTI与HC,与NMOSFET热载流子效应相比，PMOSFET 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。,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,21,NBTI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,22,NBTI对晶体管性能