器件GOI及影响它的因素

1、器件GOI及其失效原因分析肖清华有研半导体材料股份有限公司TelGOI and the degradation-induced factors有研硅股有研硅股2主要内容 MOS管结构及GOI定义 GOI失效缘由 GOI的评估 GOI的应变策略 未来的挑战有研硅股有研硅股3MOS器件结构及基本工作原理PNNMOS开关开关栅氧化物金属栅极低电势高电势栅氧化物是MOS器件的“心脏”，它起到隔离金属栅极和电流运行沟道的作用。栅极氧化物的隔离失效，栅极无法起到开启沟道导通的功能，MOS管失效 MOS管类似于一开关，其中的栅极电压起着开关的作用。源漏有研硅股有研硅股4GOI的定

2、义全称Gate Oxide Integrity，即栅氧化物完整性。它主要表明栅氧化物电学上“完整”。MOS器件失效的重要原因是栅氧化物的击穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同义词就是GOI。为了提高器件的速度，增大器件电流，降低阈值电压，栅氧化层厚度需要不断降低。栅氧化层越薄，对其品质要求就越严格，成功的栅氧化层必须具有很低的漏电流或很高的崩溃电场。有研硅股有研硅股5GOI失效的缘由理想MOS结构的栅氧化物是一绝缘材料，类似于平板电容器，横跨氧化物的电场可以表示为：EVg/dVg为栅电压，d为平板间距离，即氧化物厚度当栅氧化物变薄的时候，对于某一固定的工作电压（5V，现在多为3.3V），其

3、电场强度就增加了。或者，栅氧化物中存在缺陷，局部电场变化。如此一来，电子就可以tunneling产生漏电流或导致崩溃。栅氧化物中的电场分布有研硅股有研硅股6GOI失效的缘由金属极Si衬底通过Fowler-Nordheim隧穿机制或热激发，电子由金属极直接进入氧化物的导带他们在电场中得到能量，加速运动，并与氧化物晶格膨胀给出能量损失的能量导致：界面处Si-O键断裂，悬挂键在带隙中引入能级，可以俘获电子和空穴引起钝化界面陷阱的H的释放；导致界面处发生碰撞电离，产生更多的热电子和热空穴，空穴再穿越到氧化物中，发生类似于电子的行为载流子在氧化中的穿越有研硅股有研硅股7GOI失效的缘由虽然SiO2这种介

4、电材料是绝缘体，其中一般不发生导电。然而一定条件下，该介电材料会发生击穿，导通电流。击穿类型可以分为本征击穿和非本征击穿。电击穿电击穿：电子在栅氧化物中横跨电场作用下加速运动，与材料晶格碰撞。一般而言，栅氧化物的晶格有足够的能力容纳来自电子碰撞产生的能量。但是，在足够大的电场下，存在于栅氧化物中的电子可以获得较大的动能，引起晶格原子的电离，导致雪崩效应，材料中产生显著的电流。本征击穿的机理有热击穿、电击穿和热电混合击穿。热击穿热击穿：SiO2中有显著的电流通过时，焦耳热使材料温度升高，反过来又促使电流增大，如此循环下去，在很短时间内SiO2发生局部或全部熔化、分解或挥发而损毁。材料热导率、环境

5、温度、散热条件和电场的持续时间都会影响热击穿电场数值。栅氧化物的击穿机理有研硅股有研硅股8GOI失效的缘由栅氧化物的击穿机理非本征击穿：是由于SiO2中的针孔、微裂缝、纤维丝、杂质等引起的，是SiO2膜中薄弱环节处的击穿，不能反应SiO2膜本身的固有特征。有研硅股有研硅股9GOI失效的缘由之:Na+Na+ Na+SiO2SiOxSiSiO2中的可动离子电荷固定氧化物电荷界面陷阱电荷氧化物陷阱电荷SiO2层外表面的正负离子可动离子电荷:主要是Na、K、H等正离子，它们在激活后将移向Si-SiO2界面附近，并在Si表面感应出负电荷，使MOS器件的阈值电压不稳定，还会降低SiO2的介电强度，导致Si

6、O2的过早击穿。Al固定氧化物电荷:来源是界面附加过剩硅离子，带正电，不受SiO2厚度、Si中掺杂程度以及界面能带弯曲和电势变化的影响。(111)(110)(100)。氧化温度高、氧化速率低、干氧化有利于这部分电荷的减少。界面陷阱电荷:来源是Si和SiO2界面的不连续，导致界面处Si的悬挂键存在，它们在禁带中呈一些分离的或连续的能级或电子状态。半导体表面处的晶格缺陷、机械损伤和杂质污染都可以使界面陷阱电荷密度增加。它们会增加MOS管的阈值电压，降低表面沟道载流子迁移率和跨导，引起器件性能不稳定。该类电荷与衬底晶向有关，（111)(110)(100)。氧化物陷阱电荷:来源是电离辐射、雪崩注入或其

7、它类似过程注入到SiO2中的空穴或电子。他是MOS管负偏压不稳定的原因之一，甚至会使有效沟道长度发生变化。外表面正负离子:来源于制造过程中的沾污，主要是影响电极引线漏电。Si-SiO2系统中的电荷有研硅股有研硅股10GOI失效的缘由之： 颗粒颗粒Vgdparticle硅片表面异质颗粒是栅氧化物中针孔缺陷形成的重要原因之一，因为它可以导致栅氧化物减薄，甚至穿透氧化物。电力线在颗粒处汇集，导致此处电场显著增大，进而引发器件击穿。有研硅股有研硅股11GOI失效的原因之：COP什么是COP？有研硅股有研硅股12GOI失效的原因之：COP氧化物生长过程中，垂直衬底面向的方向比垂直V型槽壁的方向生长快。因

8、此，COP导致其内壁及其边缘氧化物厚度变薄，电场在此聚集，容易击穿。COP对GOI的影响还取决于栅氧化物厚度，该厚度在40-50nm时，影响最大，而当厚度减至5nm左右时，COP的影响甚微。有研硅股有研硅股13GOI失效的缘由之：氧沉淀氧沉淀氧沉淀的影响在于诱发位错和层错等二次缺陷，增加漏电流有研硅股有研硅股14GOI失效的缘由之：金属杂质金属杂质2003 ITRS指定Ca、Ba、Sr和Fe为GOI killer，它们的表面金属量不应大于5E9Fe杂质影响GOI的原因在于Fe金属扩散到SiO2/Si界面形成沉淀，并可能刺入氧化物中。这导致氧化物变薄，在沉淀尖端处电场增大。Fe在氧化物中还可形成

9、与Fe有关的陷阱，或者分解氧化物，或者形成金属硅酸盐Cu污染比Ni对GOI的影响更大。有研硅股有研硅股15GOI失效的缘由之：有机物有机物有机物影响GOI的原因在于：有机物对所覆盖区域起到掩蔽的作用，导致沉淀栅氧化物之前的原生氧化物去除不彻底，最终导致栅氧化物的不均匀有机物热分解后容易与Si反应形成SiC沉淀，进而导致栅氧化物的局部变薄，易成为电场汇聚点，导致击穿有研硅股有研硅股16影响GOI的因素之：表面形貌表面形貌硅片表面形貌依据横向空间波长可以分为：平整度、纳米形貌和表面微粗糙度。空间波长空间波长起起伏伏幅幅度度2nm100m200m20mm20mm200mm微粗糙度微粗糙度平整度平整度

10、纳米形貌纳米形貌0.1nm1nmN100nmN1nm0.1m10m有研硅股有研硅股17影响GOI的因素之：表面形貌表面形貌平整度对光刻精确度有显著影响，但对GOI并未有特别直接的影响有研硅股有研硅股18影响GOI的因素之：表面形貌表面形貌ITRS2003 revision版认为，正表面纳米形貌是最重要的形貌参数，它对器件的影响是两方面的。一个是光刻尺寸不均一，另一个是CMP工艺不均一。双面抛光DSP可以比单面抛光SSP得到更好的平整度和纳米形貌。有研硅股有研硅股19影响GOI的因素之：表面形貌表面形貌粗糙度一般认为粗糙度对GOI的影响不明显，也有研究表明，虽然rms值对GOI没有显著影响，但最

11、大P-V值与GOI损失有一定关联。有研硅股有研硅股20GOI失效模式A模式：击穿发生在电场范围0-3MV/cm。这是瞬间失效，一般归因于针孔缺陷或重金属污染。B模式：击穿发生在3-8MV/cm范围，主要归因于COP。表面呈V型槽的COP导致槽内和边缘氧化物薄于正表面的。C模式：击穿发生在8-11MV/cm。初始材料表面附近氧沉淀是原因之一。超过11MV/cm才击穿，氧化物可以说是理想的。有研硅股有研硅股21GOI的评估验证栅氧化物可靠性的常见方法：Ebd(Electric field-to-breakdown):这是常使用的方法，给氧化物加上恒定或不断增加的电压，并测定电场，当电场超过一定值时

12、发生击穿。栅极电压偏移(gate voltage shift,VG)：加一定电流到试片，量测栅极电压的变化量, VG= VG VG0 崩溃电荷Qbd(Charge-to-breakdown): 将电压加到MOS结构上，促使一可控制电流通过氧化物，即注入一定量电荷进入氧化物，直到它失效。电流密度J*时间JBDThe time-dependent dielectric breakdown（TDDB)，这是判断氧化物介电质量的最有用也是最主要的方法。TDDB测量主要有四种不同的方式：Constant voltage(CVTDDB)， Constant Current (CCTDDB)， ramped

13、 voltage(SVTDDB， or V-Ramp)以及ramped Current（SCTDDB or J-Ramp)。加电压或电流到试片，量测其崩溃所需的时间。常常需要利用外插法来预测其寿命长短。TZDB(Time zero dielectric breakdown): 给试片的栅氧化物加上阶梯电压，直到漏电流大于某一数值或有一跳跃电流（称为硬击穿）。有研硅股有研硅股22GOI的评估有研硅股有研硅股23GOI的评估Note: 对越来越薄的氧化物厚度，氧化物中陷阱密度减小，测试结构面积、所加电压/电流、极性等对得到的QBD等数据的影响要加以考虑。面积的影响温度的影响有研硅股有研硅股24对策

14、strategies从初始材料形成到MOS结构制备的基本流程初始材料封装栅前清洗氧化物热生长高温致密化清洗金属欧姆接触单晶生长切片磨片腐蚀热退火抛光清洗清洗氧化物沉积有研硅股有研硅股25对策COP的本质：空位的聚集体，是晶体生长过程中特定热历史条件下形成的原生缺陷。它在11501080范围成核生长 有研硅股有研硅股26对策：v 完美晶体生长 (OPTIA) v 高温退火 Ar or H2下常规炉退火 (HAI and IG NaNa wafers). RTP处理结合 COPs 的预控制v 外延薄膜沉积 (AEGIS, fLASH!, NaNa Epi).快速提拉掺氮拉晶COP缺陷的控制和消除缺

15、陷的控制和消除有研硅股有研硅股27对策：洁净区和吸杂洁净区和吸杂氧沉淀、层错等微缺陷PSG沉积、机械损伤、离子注入损伤、多晶硅、氮化物、激光损伤H、He注入产生的空腔有研硅股有研硅股28对策：外延外延有研硅股有研硅股29对策：真空封装，缩短硅片存储时间硅片在存储6至18个月，硅片表面改变严格控制硅片包装内的湿度，表面有机物、离子氧化物厚度、金属、及颗粒很稳定。有研硅股有研硅股30对策：加强监控加强监控TXRF：检测硅片表面金属颗粒，ICP-MS：检测硅片金属颗粒和有机物激光散射颗粒仪 ：检测表面颗粒和COP，可以分辨0.12um的颗粒AFM ：表面形貌，纵向分辨率可以达到0.11SPV：检测硅片体内Fe含量，ElementFeNiCuCrCaZnSClExitationWWWWWWWWLLD(E9 atom/cm23.12.01.65.0171.38954有研硅股有研硅股31对策