超簿氧化層的擊穿課件

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系1超薄氧化層的可靠性近年在超薄氧化層可靠性方面的兩個(gè)新問題1。超薄氧化層的應(yīng)力漏電(StressInducedLeakageCurrent,SILC),軟擊穿（SBD,SoftBreakDown）。2.PMOS器件的負(fù)偏不穩(wěn)定性(NegativeBiasTemperatureInstability,NBTI)微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系1超薄氧化層的可靠性近年微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系2超薄氧化層的幾種現(xiàn)象1。正常特性2。應(yīng)力漏電StressInducedleakageCurrent3。軟擊穿SoftBreakdown4。硬擊穿微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系2超薄氧化層的幾種現(xiàn)象1微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系3超薄氧化層的應(yīng)力漏電(SILC)應(yīng)力漏電（SILC）是1982年在加了恒定電應(yīng)力(6.3V）的5nm超薄氧化層中發(fā)現(xiàn)的。在一個(gè)n+PolySi/SiO2/n+Si的電容(10-4cm2)兩端施加高壓，其電場(chǎng)達(dá)到12MV/cm，測(cè)得如圖（1）所示的電流和柵壓關(guān)系曲線。

經(jīng)正、負(fù)電應(yīng)力前后的I－V曲線

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系3超薄氧化層的應(yīng)力漏電(微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系4應(yīng)力漏電的性質(zhì)應(yīng)力漏電流的大小是隨時(shí)間而衰減的，它可以分為兩部分：a.瞬時(shí)電流Jtr;隨時(shí)間而衰減的；b.直流電流Jss:大小恒定的。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系4應(yīng)力漏電的性質(zhì)應(yīng)力漏電微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系5應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC與氧化層電容面積的關(guān)系:SILC與氧化層電容的面積成正比。這說明SILC的導(dǎo)電溝道均勻分布于整個(gè)氧化層的表面，而不是存在于個(gè)別的點(diǎn)中。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系5應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系6應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC與氧化層厚度的關(guān)系

TOX>5nm，SILC隨氧化層厚度的減小而增加

TOX<5nm，SILC隨氧化層厚度的減小而減小

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系6應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系7應(yīng)力漏電的性質(zhì)JSILC

與Jstress、TOX的關(guān)系(a)Ig(Vg)characteristicsforJstress=10mA/cm2aftervariousstressdoses.(b)SILCdensityevolutionduringthestressfor5.5,7and10nmoxides(Jstress=10mA/cm2).微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系7應(yīng)力漏電的性質(zhì)JSIL微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系8應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC的溫度特性：SILC是隨著溫度的升高而增加，但其熱激活能很小

,所以它的變化仍是微弱的

.SILC與測(cè)量電壓的關(guān)系SILC隨測(cè)量時(shí)電場(chǎng)的增強(qiáng)而增加。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系8應(yīng)力漏電的性質(zhì)SILC微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系9應(yīng)力漏電的來源起源于在氧化層電流應(yīng)力產(chǎn)生的陷阱。瞬時(shí)電流這些缺陷與SiO2界面靠得很近，在外加電場(chǎng)的作用下，缺陷中的電荷發(fā)生充電或放電過程，因而產(chǎn)生瞬時(shí)電流。直流電流在電場(chǎng)下彈性或非彈性陷阱輔助隧道電流

非彈性陷阱輔助隧道模型

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系9應(yīng)力漏電的來源起源于在微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系10SILC對(duì)器件可靠性的影響

SILC影響氧化層漏電流因而對(duì)EEPROM、FlashMemory影響較明顯：它使浮柵閾值電壓的漂移和數(shù)據(jù)保持的性能退化。SILC造成浮柵上電荷丟失，使得浮柵的閾值電壓產(chǎn)生漂移。

經(jīng)擦/寫后，浮柵漏電流與電壓的典型曲線微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系10SILC對(duì)器件可靠性微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系11

軟擊穿軟擊穿的漏電流比SILC大2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，但比擊穿電流小4-6個(gè)數(shù)量級(jí)。

軟擊穿漏電流不隨著器件面積的減小而減小。這說明它是一種局部失效。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系11

軟擊穿軟擊穿的漏微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系12軟擊穿模式

軟擊穿可分為兩種模式：1）模擬信號(hào)模式（analog-modesoftbreakdown），2）數(shù)字信號(hào)模式（digital-modesoftbreakdown）。數(shù)字信號(hào)模式的柵電流的波動(dòng)有大于模擬信號(hào)模式，并且在高的柵壓下，數(shù)字信號(hào)模式將產(chǎn)生更大的漏電流微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系12軟擊穿模式軟擊穿可微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系13超薄氧化層直接隧道的偏置溫度不穩(wěn)定性

1999年N.Kimizuka等首先在氧化層厚度tox=2.0~4.0nm的N及P－MOSFET中觀察到隧道超薄氧化層的偏置溫度不穩(wěn)定性。PMOSFET的最大應(yīng)力為－3.0V（在－3.5V會(huì)因碰撞電離產(chǎn)生電子、空穴對(duì)).試驗(yàn)溫度高溫為100℃和150℃。試驗(yàn)進(jìn)行了105秒（27.7小時(shí)）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1器件的VT和GM隨柵極發(fā)生漂移。2PMOSFET比NMOSFET的漂移要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系13超薄氧化層直接隧道的微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系14PMOSNBTI的特性VT與偏置時(shí)的溫度、電壓有強(qiáng)烈的關(guān)系。VT與時(shí)間的n次方成正比，即VT～t1/4.微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系14PMOSNBT微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系15PMOSNBTI的特性當(dāng)氧化層的厚度越薄，同樣條件下VT的漂移越大.氧化層厚度不同的器件的漂移曲線相互平行.。試驗(yàn)結(jié)果表明，VT的漂移隨著PMOSFET溝道長度的減小而增加

PMOSFET(TOX＝1.3nm)NBTI應(yīng)力試驗(yàn)，閾值電壓漂移與時(shí)間的關(guān)系.應(yīng)力條件：溫度T＝100℃，VG＝2.7V微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系15PMOSNBT微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系16PMOSNBTI的來源VT的漂移與氧化層界面陷阱電荷的增加成正比關(guān)系

NBTI應(yīng)力試驗(yàn)中PMOSFET(TOX＝1.3nm)，閾值電壓漂移與DCIV電流的關(guān)系曲線。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系16PMOSNBT微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系17PMOSNBTI的來源VT的漂移與氧化層界面陷阱電荷的增加成正比關(guān)系

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系17PMOSNBT微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系18NBTI缺陷產(chǎn)生機(jī)理微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系18NBTI缺陷產(chǎn)生機(jī)理微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系19NBTI與HC與NMOSFET熱載流子效應(yīng)相比，PMOSFETNBTI對(duì)器件工作壽命的限制更為重要，VD低于3V時(shí)，NBTI比熱載流子的壽命更短。

微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系19NBTI與HC與NM微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系20NBTI與HC與NMOSFET熱載流子效應(yīng)相比，PMOSFET的NBTI對(duì)器件工作壽命的限制更為重要，VD低于3V時(shí)，NBTI比熱載流子的壽命更短。

器件參數(shù)與CHC、NBTI微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系20NBTI與HC與NM微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)