MOS管器件擊穿機(jī)理分析

1、MOS管器件擊穿機(jī)理分析1MOS管發(fā)生雪崩擊穿時(shí)場(chǎng)強(qiáng)分布MOS管擊穿發(fā)生時(shí)場(chǎng)強(qiáng)分布如圖1所示，如果沒(méi)有柵，則PN結(jié)的最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在結(jié)中間Ei,由于多晶柵的存在，則在A點(diǎn)又出現(xiàn)一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)峰值Ed，因?yàn)镸OS管具有柵結(jié)構(gòu)，所以其擊穿和單純的PN結(jié)擊穿是不完全相同的。IjV-W：i專囲IMOS卷確端剖面鰭構(gòu)M百|(zhì)一這里我們從A、B兩點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Ei和Ed的大小來(lái)討論MOS管的擊穿特性。如圖1所示，Xbd是襯底中結(jié)耗盡寬度，Xdd是漏區(qū)結(jié)耗盡寬度。橫向電場(chǎng)分布我們已經(jīng)很了解，這里主要看縱向電場(chǎng)分布，從Xbd到Xdd，縱向電場(chǎng)和柵溝道電勢(shì)差有關(guān)，在測(cè)試擊穿時(shí)，柵是接地的，因?yàn)闉?電位，所以縱向電場(chǎng)分布和溝道電

2、勢(shì)變化趨勢(shì)一致。從B到A點(diǎn)，電勢(shì)逐步升高，因此，縱向場(chǎng)強(qiáng)增大，但是從A到Xdd，盡管電勢(shì)仍然升高，但是由于氧化層增厚，因此場(chǎng)強(qiáng)有減小趨勢(shì)。所以在A點(diǎn)存在一個(gè)峰值電場(chǎng)。這個(gè)峰值電場(chǎng)的具體位置是否一定在多晶邊緣正下方和柵氧厚度有關(guān)。但A點(diǎn)的位置一定在多晶邊緣的外側(cè)的漏區(qū)。圖2（a）大致反應(yīng)了從Xbd到Xdd的場(chǎng)強(qiáng)和電勢(shì)分布情況，圖2（b）則分別從縱向和橫向反映電場(chǎng)分布情況?？v向電場(chǎng)分兩部分，一部分是氧化層中，一部分是Si中耗盡層；同樣，電勢(shì)也分為兩部分，一部分是在氧化層上的降落，一部分是Si中耗盡層降落。由于介電常數(shù)的關(guān)系，SiO2中場(chǎng)強(qiáng)是Si中峰值場(chǎng)強(qiáng)的3倍。下面討論在Ed發(fā)生擊穿的情形：（1）

3、A點(diǎn)（Ed）擊穿由于漏端電阻小，基本無(wú)電勢(shì)降落，在LDD上會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)降落（若無(wú)LDD結(jié)構(gòu)，則A點(diǎn)的電勢(shì)和VCC基本相同相等）降落到A點(diǎn)時(shí)，此時(shí)A點(diǎn)和多晶柵之間的電勢(shì)在柵氧和耗盡層中形成電場(chǎng)，LDD處于耗盡狀態(tài)，會(huì)誘發(fā)LDD中雪崩擊穿。如圖3所示。NhuIsi©闔3A點(diǎn)前部結(jié)聞和咆腸電轉(zhuǎn)彷術(shù)<1）MIKA點(diǎn)胡部糾構(gòu).（b）漏憂血就電務(wù)電埼分布對(duì)Nsub接正，多晶接地，壓降降落在氧化層和耗盡層上，氧化層中是均強(qiáng)電場(chǎng)，耗盡層中電場(chǎng)和具體位置相關(guān)。根據(jù)高斯定理：QP=£0£siEsi,QT=£0£SiO2ESiO2,這里QT是總電荷，QP是多晶上

4、的正電荷和耗盡層中負(fù)電荷的和?？梢?jiàn)在SiSiO2的界面處存在電場(chǎng)突變現(xiàn)象。ESiO2/ESi的比值和它們的介電常數(shù)成正比，所以SiO2和Si為中最大場(chǎng)強(qiáng)比為11.9/3.9=3。在耗盡層邊緣，電場(chǎng)強(qiáng)度為0。一般氧化層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為9MVcm1,則達(dá)到SiO2擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)Si中的場(chǎng)強(qiáng)有3MVcm1,這個(gè)場(chǎng)強(qiáng)下Si襯底早發(fā)生雪崩擊穿。一般Si襯底溶度在1E14到1E17變化時(shí)，Si襯底的雪崩擊穿場(chǎng)強(qiáng)在0.2MVcm10.6MVcm1變化。若Si襯底擊穿場(chǎng)強(qiáng)為0.4MVcm1，貝VSiO2中場(chǎng)強(qiáng)在1.2MVQM1時(shí)，Si襯底就擊穿。所以，若擊穿發(fā)生在這個(gè)部位，則MOS管的擊穿和柵氧厚度具有強(qiáng)烈相關(guān)性。柵

5、氧厚度越薄，Si很容易達(dá)到雪崩擊穿點(diǎn)，從而造成MOS管擊穿。15逋1ELDD第鞫)MH爪跚現(xiàn)(I7S,IMA囲現(xiàn)12.5V-MR4lift*(XLIJD皓構(gòu)j怦誨-IW-IfiVO.Snm(仃LiDDJ)刪閥175A,20QAN畀擊環(huán)i-l.SV口少14JY所以，若柵氧較厚，則PN結(jié)（襯底區(qū)域）首先擊穿的幾率較大，若柵氧薄，則漏區(qū)LDD部位雪崩擊穿幾率較大。（2）B點(diǎn)（Ej）擊穿若在Ed沒(méi)有發(fā)生雪崩擊穿，一般在柵氧比較厚時(shí)是這樣的，這時(shí)在B點(diǎn)就發(fā)生擊穿，即PN結(jié)擊穿，根據(jù)源漏和襯底溶度關(guān)系，擊穿點(diǎn)一般發(fā)生在襯底。MOS管中存在A和B兩個(gè)峰值電場(chǎng)點(diǎn)，因此MOS管的擊穿電壓決定于這兩個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)，

6、哪個(gè)區(qū)域電場(chǎng)首先達(dá)到臨界電場(chǎng)，則首先在該點(diǎn)擊穿，同時(shí)MOS管發(fā)生擊穿。（3）鳥(niǎo)嘴對(duì)A點(diǎn)擊穿的影響我們考察MOS管的另一種截面圖4,在MOS管的鳥(niǎo)嘴部位，這里缺陷和界面狀態(tài)較復(fù)雜，因此，A點(diǎn)擊穿部位首先發(fā)生在鳥(niǎo)嘴邊緣（圖中圓圈部分）。之所以首先發(fā)生在鳥(niǎo)嘴邊緣，這是因?yàn)椋菏紫龋捎趫?chǎng)氧底部濃度較高，雜質(zhì)橫向擴(kuò)散，導(dǎo)致場(chǎng)氧邊緣濃度也比溝道中高。因此，場(chǎng)氧邊緣的耗盡區(qū)寬度比中間的要窄，容易出現(xiàn)結(jié)擊穿。如圖5所示。其次，場(chǎng)氧邊緣缺陷較多，局部損傷大。另外，鳥(niǎo)嘴處在B點(diǎn)擊穿的可能性要小，這是因?yàn)轼B(niǎo)嘴處柵氧較厚，因此，B點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)較小，較難達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)。但是，假如溝道中間的耗盡區(qū)展寬到和源端連接到一起，而鳥(niǎo)

7、嘴邊緣仍然沒(méi)有發(fā)生結(jié)擊穿，則源端的電子進(jìn)入溝道后被漏端收集加速，會(huì)形成很大的電流，造成溝道中間首先擊穿。這就是后面要討論的穿通擊穿現(xiàn)象。實(shí)際中我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低場(chǎng)注入劑量，使鳥(niǎo)嘴邊緣溶度較小時(shí)，管子的擊穿電壓得到提高，但是出于場(chǎng)開(kāi)啟的考慮，一種既提高管子擊穿，又盡量提高場(chǎng)開(kāi)啟的方法是，場(chǎng)注入不是自對(duì)準(zhǔn)注入，使場(chǎng)注入版和有源區(qū)邊緣有一定的距離，但是，這樣會(huì)降低芯片的集成度。溝道擊穿一般都發(fā)生在鳥(niǎo)嘴邊緣，但是實(shí)際發(fā)現(xiàn)，這種管子特別容易出現(xiàn)破壞性擊穿，即使擊穿測(cè)試時(shí)，電流限制在lA時(shí)，管子也經(jīng)常被燒毀，這種燒毀可能和電流主要在鳥(niǎo)嘴邊緣泄放，造成電流密度過(guò)大，或者鳥(niǎo)嘴邊緣缺陷等原因有關(guān)。2穿通擊穿類(lèi)當(dāng)

8、溝道中濃度較低時(shí)，這時(shí)溝道容易耗盡，出現(xiàn)溝道穿通擊穿，穿通現(xiàn)象一般在長(zhǎng)溝道器件中不容易出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在短溝道中。對(duì)于穿通擊穿，有以下一些特征：（1）穿通擊穿的擊穿點(diǎn)軟，擊穿過(guò)程中，電流有逐步增大的特征，這是因?yàn)楹谋M層擴(kuò)展較寬，產(chǎn)生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發(fā)生DIBL效應(yīng)，使源襯底結(jié)正偏出現(xiàn)電流逐步增大的特征。（2）穿通擊穿的軟擊穿點(diǎn)發(fā)生在源漏的耗盡層相接時(shí)，此時(shí)源端的載流子注入到耗盡層中，被耗盡層中的電場(chǎng)加速達(dá)到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點(diǎn)，這個(gè)電流的急劇增大和雪崩擊穿時(shí)電流急劇增大不同，這時(shí)的電流相當(dāng)于源襯底PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)的電流，而雪崩擊穿時(shí)的電流主要為PN結(jié)反向擊

9、穿時(shí)的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。（3）穿通擊穿一般不會(huì)出現(xiàn)破壞性擊穿。因?yàn)榇┩〒舸﹫?chǎng)強(qiáng)沒(méi)有達(dá)到雪崩擊穿的場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)。（4）穿通擊穿一般發(fā)生在溝道體內(nèi)，溝道表面不容易發(fā)生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對(duì)NMOS管一般都有防穿通注入。（5）一般的，鳥(niǎo)嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發(fā)生在溝道中間。（6）多晶柵長(zhǎng)度對(duì)穿通擊穿是有影響的，隨著柵長(zhǎng)度增加，擊穿增大。而對(duì)雪崩擊穿，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)也有影響，但是沒(méi)有那么顯著。3MOS管的SNAPBACK效應(yīng)討論MOS管的擊穿，肯定回避不了MOS管的SNAPBACK效應(yīng)。對(duì)NMOS管，SNAP

10、BACK效應(yīng)一般比較明顯，PMOS管基本沒(méi)有這種現(xiàn)象。這和PMOS溝道中空穴比較難以形成熱載流子有關(guān)。由于熱載流子量小，PMOS管的寄生PNP難以觸發(fā)，SNAPBACK效應(yīng)就不明顯。發(fā)生SNAPBACK現(xiàn)象和MOS管中寄生的三極管導(dǎo)通有關(guān)，即MOS管源襯底結(jié)出現(xiàn)正偏情形。使MOS管源襯底結(jié)出現(xiàn)正偏主要是由襯底電流造成，由于熱載流子效應(yīng)，對(duì)于NMOS管，空穴電流使襯底電位上升，對(duì)PMOS管，襯底電流很小，所以PMOS管很少出現(xiàn)SNAPBACK現(xiàn)象，圖6顯示了NMOS管發(fā)生SNAPBACK的曲線。iholilVhold圖fiNMQS竹SNAPSACKn邸【Isecond由圖6可以看出，若保持器件上

11、電壓不變，SNAPBACK效應(yīng)很容易使器件或者電源燒毀，這是我們不希望的，但是，發(fā)生SNAPBACK時(shí)，PN結(jié)上的壓降降低，因此，相同電流下，PN結(jié)上的功耗降低，在許多保護(hù)結(jié)構(gòu)中又是我們希望的。由上面分析可以看出，對(duì)MOS管，SNAPBACK效應(yīng)是有關(guān)源襯底PN結(jié)出現(xiàn)正偏造成的，這里可以從兩個(gè)方面解釋PN結(jié)正偏現(xiàn)象。(1) DIBL效應(yīng)，由于漏端電壓增大，使源襯底端PN結(jié)正偏。(2) 由于漏電壓增大過(guò)程中，襯底電流增大，造成襯底電位升高，造成源襯底PN結(jié)正偏。因此，怎樣使管子容易SNAPBACK，以及在滿足使用條件下，怎么盡量降低維持電壓是很有意義的事情,因?yàn)楣茏影l(fā)生SNAPBACK意味著管子

12、可以承受更大的電流。例如，減小管子長(zhǎng)度、襯底浮置、增加襯底電阻等都容易使管子SNAPBACK。4MOS管的開(kāi)啟擊穿現(xiàn)象實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)NMOS管，管子工作在低于擊穿電壓的附近，在加一個(gè)相對(duì)較低的柵電壓時(shí)，或者在管子開(kāi)啟的瞬間，管子很容易出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。這里我們對(duì)NMOS管輸出曲線進(jìn)行了分析，我們測(cè)試了0.8s工藝的兩種NMOS管,一種是W/L=20/1.0，一種是W/L=20/20。測(cè)試方法為：VS=VB=OV，當(dāng)VD=10V時(shí)，VG=O10VGSTEP=1V；當(dāng)VD=16V時(shí)，VG=0T6VGSTEP=1V，測(cè)試的輸出曲線如圖7所示。UI2CI10加電fi-VIXVIsiwn-rnd.lW

13、l-if5nJ.OOE'tWE40112utnn?iro襯也按也0l&VVG016V更L-2204D.lHIt-'tM)從圖7可以看出，對(duì)W/L20/1.0的管子，VD掃描電壓在10V、VG從2V開(kāi)始出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，隨著柵壓增大，曲線逐漸變的平了起來(lái)，對(duì)W/L20/20的管子，則這種情況明顯緩和的多。因此，可以看出，這種開(kāi)啟擊穿現(xiàn)象和管子長(zhǎng)度有關(guān)?？梢杂袃煞N解釋來(lái)理解這種上翹現(xiàn)象：(1) 屬于SNAPBACK現(xiàn)象，但是測(cè)試的曲線和SNAPBACK曲線不符合，這是由于測(cè)試設(shè)備造成的，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備電壓掃描時(shí)不能減小，造成SNAPBACK情形看不出。(2) 可能和電流密度有關(guān)，對(duì)20/1.0的管子，電流是20/20管子的十倍。由圖7還可以看出，W/L=20/20的管子在VD掃描到16V才輕微出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，所以這種現(xiàn)象和DIBL效應(yīng)還有關(guān)系，對(duì)于短溝器件，源襯底勢(shì)壘容易漏端影響而導(dǎo)通，出現(xiàn)雙極電流增大，顯然，短溝道管子更加容易出現(xiàn)DIBL現(xiàn)象。顯然，出現(xiàn)圖7所示的輸出曲線的管子在10V工作電壓下是無(wú)法工作在放大區(qū)的，因?yàn)樯下N會(huì)影響管子輸出的線性度，造成嚴(yán)重失真，對(duì)于20/20