器件GOI及其失效原因分析肖清華有研半導(dǎo)體材料股份有限公司Tel:010-82241104-GOI and the degradation-induced factors醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股主要內(nèi)容MOS管結(jié)構(gòu)及GOI定義GOI失效緣由GOI的評估GOI的應(yīng)變策略未來的挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股MOS器件結(jié)構(gòu)及基本工作原理PNNMOS開關(guān)開關(guān)柵氧化物金屬柵極低電勢高電勢柵氧化物是MOS器件的“心臟”，它起到隔離金屬柵極和電流運行溝道的作用。柵極氧化物的隔離失效，柵極無法起到開啟溝道導(dǎo)通的功能，MOS管失效 MOS管類似于一開關(guān)，其中的柵極電壓起著開關(guān)的作用。源漏醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的定義全稱Gate Oxide Integrity，即柵氧化物完整性。它主要表明柵氧化物電學(xué)上“完整”。MOS器件失效的重要原因是柵氧化物的擊穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同義詞就是GOI。為了提高器件的速度，增大器件電流，降低閾值電壓，柵氧化層厚度需要不斷降低。柵氧化層越薄，對其品質(zhì)要求就越嚴格，成功的柵氧化層必須具有很低的漏電流或很高的崩潰電場。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由理想MOS結(jié)構(gòu)的柵氧化物是一絕緣材料，類似于平板電容器，橫跨氧化物的電場可以表示為：EVg/dVg為柵電壓，d為平板間距離，即氧化物厚度當(dāng)柵氧化物變薄的時候，對于某一固定的工作電壓（5V，現(xiàn)在多為3.3V），其電場強度就增加了?；蛘?，柵氧化物中存在缺陷，局部電場變化。如此一來，電子就可以tunneling產(chǎn)生漏電流或?qū)е卤罎?。柵氧化物中的電場分布醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由金屬極Si襯底通過Fowler-Nordheim隧穿機制或熱激發(fā)，電子由金屬極直接進入氧化物的導(dǎo)帶他們在電場中得到能量，加速運動，并與氧化物晶格膨脹給出能量損失的能量導(dǎo)致：界面處Si-O鍵斷裂，懸掛鍵在帶隙中引入能級，可以俘獲電子和空穴引起鈍化界面陷阱的H的釋放；導(dǎo)致界面處發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生更多的熱電子和熱空穴，空穴再穿越到氧化物中，發(fā)生類似于電子的行為載流子在氧化中的穿越醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由雖然SiO2這種介電材料是絕緣體，其中一般不發(fā)生導(dǎo)電。然而一定條件下，該介電材料會發(fā)生擊穿，導(dǎo)通電流。擊穿類型可以分為本征擊穿和非本征擊穿。電擊穿電擊穿：電子在柵氧化物中橫跨電場作用下加速運動，與材料晶格碰撞。一般而言，柵氧化物的晶格有足夠的能力容納來自電子碰撞產(chǎn)生的能量。但是，在足夠大的電場下，存在于柵氧化物中的電子可以獲得較大的動能，引起晶格原子的電離，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)，材料中產(chǎn)生顯著的電流。本征擊穿的機理有熱擊穿、電擊穿和熱電混合擊穿。熱擊穿熱擊穿：SiO2中有顯著的電流通過時，焦耳熱使材料溫度升高，反過來又促使電流增大，如此循環(huán)下去，在很短時間內(nèi)SiO2發(fā)生局部或全部熔化、分解或揮發(fā)而損毀。材料熱導(dǎo)率、環(huán)境溫度、散熱條件和電場的持續(xù)時間都會影響熱擊穿電場數(shù)值。柵氧化物的擊穿機理醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由柵氧化物的擊穿機理非本征擊穿：是由于SiO2中的針孔、微裂縫、纖維絲、雜質(zhì)等引起的，是SiO2膜中薄弱環(huán)節(jié)處的擊穿，不能反應(yīng)SiO2膜本身的固有特征。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之:Na+Na+Na+SiO2SiOxSiSiO2中的可動離子電荷固定氧化物電荷界面陷阱電荷氧化物陷阱電荷SiO2層外表面的正負離子可動離子電荷:主要是Na、K、H等正離子，它們在激活后將移向Si-SiO2界面附近，并在Si表面感應(yīng)出負電荷，使MOS器件的閾值電壓不穩(wěn)定，還會降低SiO2的介電強度，導(dǎo)致SiO2的過早擊穿。Al固定氧化物電荷:來源是界面附加過剩硅離子，帶正電，不受SiO2厚度、Si中摻雜程度以及界面能帶彎曲和電勢變化的影響。(111)(110)(100)。氧化溫度高、氧化速率低、干氧化有利于這部分電荷的減少。界面陷阱電荷:來源是Si和SiO2界面的不連續(xù)，導(dǎo)致界面處Si的懸掛鍵存在，它們在禁帶中呈一些分離的或連續(xù)的能級或電子狀態(tài)。半導(dǎo)體表面處的晶格缺陷、機械損傷和雜質(zhì)污染都可以使界面陷阱電荷密度增加。它們會增加MOS管的閾值電壓，降低表面溝道載流子遷移率和跨導(dǎo)，引起器件性能不穩(wěn)定。該類電荷與襯底晶向有關(guān)，（111)(110)(100)。氧化物陷阱電荷:來源是電離輻射、雪崩注入或其它類似過程注入到SiO2中的空穴或電子。他是MOS管負偏壓不穩(wěn)定的原因之一，甚至?xí)褂行系篱L度發(fā)生變化。外表面正負離子:來源于制造過程中的沾污，主要是影響電極引線漏電。Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：顆粒顆粒Vgdparticle硅片表面異質(zhì)顆粒是柵氧化物中針孔缺陷形成的重要原因之一，因為它可以導(dǎo)致柵氧化物減薄，甚至穿透氧化物。電力線在顆粒處匯集，導(dǎo)致此處電場顯著增大，進而引發(fā)器件擊穿。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的原因之：COP什么是COP？醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的原因之：COP氧化物生長過程中，垂直襯底面向的方向比垂直V型槽壁的方向生長快。因此，COP導(dǎo)致其內(nèi)壁及其邊緣氧化物厚度變薄，電場在此聚集，容易擊穿。COP對GOI的影響還取決于柵氧化物厚度，該厚度在40-50nm時，影響最大，而當(dāng)厚度減至5nm左右時，COP的影響甚微。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：氧沉淀氧沉淀氧沉淀的影響在于誘發(fā)位錯和層錯等二次缺陷，增加漏電流醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：金屬雜質(zhì)金屬雜質(zhì)2003 ITRS指定Ca、Ba、Sr和Fe為GOI killer，它們的表面金屬量不應(yīng)大于5E9Fe雜質(zhì)影響GOI的原因在于Fe金屬擴散到SiO2/Si界面形成沉淀，并可能刺入氧化物中。這導(dǎo)致氧化物變薄，在沉淀尖端處電場增大。Fe在氧化物中還可形成與Fe有關(guān)的陷阱，或者分解氧化物，或者形成金屬硅酸鹽Cu污染比Ni對GOI的影響更大。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效的緣由之：有機物有機物有機物影響GOI的原因在于：有機物對所覆蓋區(qū)域起到掩蔽的作用，導(dǎo)致沉淀柵氧化物之前的原生氧化物去除不徹底，最終導(dǎo)致柵氧化物的不均勻有機物熱分解后容易與Si反應(yīng)形成SiC沉淀，進而導(dǎo)致柵氧化物的局部變薄，易成為電場匯聚點，導(dǎo)致?lián)舸┽t(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌硅片表面形貌依據(jù)橫向空間波長可以分為：平整度、納米形貌和表面微粗糙度?？臻g波長空間波長起起伏伏幅幅度度2nm100m200m20mm20mm200mm微粗糙度微粗糙度平整度平整度納米形貌納米形貌0.1nm1nmN100nmN1nm0.1m10m醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌平整度對光刻精確度有顯著影響，但對GOI并未有特別直接的影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌ITRS2003 revision版認為，正表面納米形貌是最重要的形貌參數(shù)，它對器件的影響是兩方面的。一個是光刻尺寸不均一，另一個是CMP工藝不均一。雙面拋光DSP可以比單面拋光SSP得到更好的平整度和納米形貌。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股影響GOI的因素之：表面形貌表面形貌粗糙度一般認為粗糙度對GOI的影響不明顯，也有研究表明，雖然rms值對GOI沒有顯著影響，但最大P-V值與GOI損失有一定關(guān)聯(lián)。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI失效模式A模式：擊穿發(fā)生在電場范圍0-3MV/cm。這是瞬間失效，一般歸因于針孔缺陷或重金屬污染。B模式：擊穿發(fā)生在3-8MV/cm范圍，主要歸因于COP。表面呈V型槽的COP導(dǎo)致槽內(nèi)和邊緣氧化物薄于正表面的。C模式：擊穿發(fā)生在8-11MV/cm。初始材料表面附近氧沉淀是原因之一。超過11MV/cm才擊穿，氧化物可以說是理想的。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評估驗證柵氧化物可靠性的常見方法：Ebd(Electric field-to-breakdown):這是常使用的方法，給氧化物加上恒定或不斷增加的電壓，并測定電場，當(dāng)電場超過一定值時發(fā)生擊穿。柵極電壓偏移(gate voltage shift,VG)：加一定電流到試片，量測柵極電壓的變化量,VG=VG VG0 崩潰電荷Qbd(Charge-to-breakdown):將電壓加到MOS結(jié)構(gòu)上，促使一可控制電流通過氧化物，即注入一定量電荷進入氧化物，直到它失效。電流密度J*時間JBDThe time-dependent dielectric breakdown（TDDB)，這是判斷氧化物介電質(zhì)量的最有用也是最主要的方法。TDDB測量主要有四種不同的方式：Constant voltage(CVTDDB)，Constant Current(CCTDDB)，ramped voltage(SVTDDB，or V-Ramp)以及ramped Current（SCTDDB or J-Ramp)。加電壓或電流到試片，量測其崩潰所需的時間。常常需要利用外插法來預(yù)測其壽命長短。TZDB(Time zero dielectric breakdown):給試片的柵氧化物加上階梯電壓，直到漏電流大于某一數(shù)值或有一跳躍電流（稱為硬擊穿）。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評估醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股GOI的評估Note:對越來越薄的氧化物厚度，氧化物中陷阱密度減小，測試結(jié)構(gòu)面積、所加電壓/電流、極性等對得到的QBD等數(shù)據(jù)的影響要加以考慮。面積的影響溫度的影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策strategies從初始材料形成到MOS結(jié)構(gòu)制備的基本流程初始材料封裝柵前清洗氧化物熱生長高溫致密化清洗金屬歐姆接觸單晶生長切片磨片腐蝕熱退火拋光清洗清洗氧化物沉積醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策：v完美晶體生長(OPTIA)需嚴格控制需嚴格控制 v/G v/G 在臨界值上下在臨界值上下 10%10%v 高溫退火 Ar or H2下常規(guī)爐退火(HAI and IG NaNa wafers).RTP處理結(jié)合 COPs 的預(yù)控制v 外延薄膜沉積(AEGIS,fLASH!,NaNa Epi).快速提拉摻氮拉晶COP缺陷的控制和消除缺陷的控制和消除醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策：潔凈區(qū)和吸雜潔凈區(qū)和吸雜氧沉淀、層錯等微缺陷PSG沉積、機械損傷、離子注入損傷、多晶硅、氮化物、激光損傷H、He注入產(chǎn)生的空腔醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策：外延外延醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策：真空封裝，縮短硅片存儲時間硅片在存儲6至18個月，硅片表面改變嚴格控制硅片包裝內(nèi)的濕度，表面有機物、離子氧化物厚度、金屬、及顆粒很穩(wěn)定。醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策：加強監(jiān)控加強監(jiān)控TXRF：檢測硅片表面金屬顆粒，ICP-MS：檢測硅片金屬顆粒和有機物激光散射顆粒儀：檢測表面顆粒和COP，可以分辨0.12um的顆粒AFM：表面形貌，縱向分辨率可以達到0.11SPV：檢測硅片體內(nèi)Fe含量，ElementFeNiCuCrCaZnSClExitationWWWWWWWWLLD(E9 atom/cm23.12.01.65.0171.38954醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股對策COP測試原理醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股未來的挑戰(zhàn)氧化物厚度變化趨勢氧化物介電層越來越薄-小于5nm。柵導(dǎo)電機制將可能轉(zhuǎn)為直接隧穿。導(dǎo)電機制的轉(zhuǎn)變可能導(dǎo)致新的失效模式。柵氧化物可靠性更加容易受到整個工藝流程的影響，而不僅是氧化物生長步驟。統(tǒng)計有效地表征柵氧化物可靠性將更困難醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股未來的挑戰(zhàn)厚度溫度影響醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股挑戰(zhàn)醫(yī)療模板醫(yī)療模板有研硅股有研硅股結(jié)論GOI退化的根源是多方面的，既可能出現(xiàn)于芯片廠商處，也可能來自于材料供應(yīng)商，這需要雙方共同查找緣由。醫(yī)療模板醫(yī)療模板醫(yī)療模板醫(yī)療模板