1、微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系1超薄氧化层的可靠性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近年在超薄氧化层可靠性方面的两个新问题1 1。超薄氧化层的应力漏电。超薄氧化层的应力漏电 (Stress Induced (Stress Induced Leakage Current, SILC),Leakage Current, SILC), 软击穿（软击穿（SBD, Soft BreakDownSBD, Soft BreakDown） 。 2.PMOS2.PMOS器件的负偏不稳定性器件的负偏不稳定性(Negative Bias (Negative Bias Temperatur
2、e Instability, NBTI)Temperature Instability, NBTI)微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系2超薄氧化层的几种现象超薄氧化层的几种现象1。正常特性。正常特性2。应力漏电。应力漏电Stress Induced leakage Current3。软击穿。软击穿Soft Breakdown4。硬击穿。硬击穿微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系3超薄氧化层的应力漏电超薄氧化层的应力漏电(SILC)(SILC)应力漏电（应力漏电（SILCSILC）是）是19821982年年在加了恒定电应力在加了恒定电应力(6.3V(6.3V）的的5nm5nm超薄氧化层中发现的
3、。超薄氧化层中发现的。在一个在一个n+Poly Si/SiO2/n+Si n+Poly Si/SiO2/n+Si 的电容的电容(10-4cm2)(10-4cm2)两端施加两端施加高压，其电场达到高压，其电场达到12MV/cm12MV/cm，测得如图（测得如图（1 1）所示的电流）所示的电流和栅压关系曲线。和栅压关系曲线。 经正、负电应力前经正、负电应力前后的后的I IV V曲线曲线 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系4应力漏电的性质应力漏电的性质应力漏电流的大小是随应力漏电流的大小是随时间而衰减的，它可时间而衰减的，它可以分为两部分：以分为两部分：a.a.瞬时电流瞬时电流J Jtr ;tr
4、;随时间随时间而衰减的；而衰减的；b.b.直流电流直流电流J Jss :ss :大小恒大小恒定的定的。 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的性质SILC与氧化层电容面积的关系与氧化层电容面积的关系:SILC与氧化层电与氧化层电容的面积成正比。容的面积成正比。这说明这说明SILC的导电沟道均匀分布于整个氧化层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。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6应力漏电的性质应力漏电的性质SILC与氧化层厚度的关系与氧化层厚度的关系 TOX5nm，SILC随氧化层厚度的减小而增加随氧化层厚度
5、的减小而增加 TOX5nm，SILC随氧化层厚度的减小而减小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7应力漏电的性质应力漏电的性质JSILC 与Jstress 、TOX 的关系(a)Ig(Vg) 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8应力漏电的性质应力漏电的性
6、质SILC的温度特性：的温度特性：SILC是是随着温度的升高而增加，随着温度的升高而增加，但其热激活能很小但其热激活能很小 , 所所以它的变化仍是微弱的以它的变化仍是微弱的 .SILC与测量电压的关系与测量电压的关系 SILC随测量时电场的增随测量时电场的增强而增加。强而增加。 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9应力漏电的来源应力漏电的来源起源于在氧化层电流应力产起源于在氧化层电流应力产生的陷阱。生的陷阱。瞬时电流瞬时电流 这些缺陷与这些缺陷与SiO2界面靠得很近，在外加电界面靠得很近，在外加电场的作用下，缺陷中的电场的作用下，缺陷中的电荷发生充电或放电过程，荷发生充电或放电过程，因而产生
7、瞬时电流因而产生瞬时电流。直流电流直流电流 在电场下在电场下 弹性或弹性或非弹性陷阱辅助隧道电流非弹性陷阱辅助隧道电流 非弹性陷阱辅非弹性陷阱辅助隧道模型助隧道模型 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系10SILC对器件可靠性的影响对器件可靠性的影响 SILC影响氧化层漏电流因而对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。移和数据保持的性能退化。 SILC造成浮栅上电荷丢失，使得浮栅的阈值电造成浮栅上电荷丢失，使得浮栅的阈值电压产生漂移。压产生漂移。 经擦经擦/写后，写后，浮栅漏电流浮栅漏
8、电流与电压的典与电压的典型曲线型曲线微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11 软击穿软击穿软击穿的漏电流比软击穿的漏电流比SILC大大2-3个数量级，个数量级，但比击穿电流小但比击穿电流小4-6个数量级。个数量级。 软击穿漏电流不随着器软击穿漏电流不随着器件面积的减小而减小。件面积的减小而减小。这说明它是一种局部这说明它是一种局部失效失效 。 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系12软击穿模式软击穿模式 软击穿可分为两种模式：软击穿可分为两种模式：1）模拟信号模式（）模拟信号模式（analog-mode soft breakdown），），2）数字信号模式（）数字信号模式（digital-mo
9、de 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13超薄氧化层直接隧道的偏置温度不稳定性超薄氧化层直接隧道的偏置温度不稳定性 1999年年N. Kimizuka 等首先在氧化层厚度等首先在氧化层厚度tox=2.0 4.0nm 的的N 及及PMOSFET中观察中观察到隧道超薄氧化层的偏置温度不稳定性。到隧道超薄氧化层的偏置温度不稳定性。PMOSFET的最大应力为的最大应力为3.0V
10、（在（在3.5V会因会因碰撞电离产生电子、空穴对碰撞电离产生电子、空穴对). 试验温度高温为试验温度高温为100和和150。试验进行了。试验进行了105秒（秒（27.7小时）小时）试验发现：试验发现：1 器件的器件的VT和和GM随栅极发生漂移。随栅极发生漂移。2 PMOSFET比比NMOSFET的漂移要大一个数量级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14PMOS NBTI的特性的特性 VT与偏置时的温度、电压有强烈的关系。与偏置时的温度、电压有强烈的关系。 VT与时间的与时间的n次方成正比，即次方成正比，即 VT t1/4. 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15PM
11、OS NBTI的特性的特性当氧化层的厚度越薄，同样条件下当氧化层的厚度越薄，同样条件下 VT的漂移越的漂移越大大.氧化层厚度不同的器件的漂移曲线相互平行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，试验结果表明，VT的漂移随着的漂移随着PMOSFET沟道长沟道长度的减小而增加度的减小而增加 PMOS FET (TOX1.3nm) NBTI应力试验，阈值电压漂移与时间应力试验，阈值电压漂移与时间的关系的关系.应力条件：应力条件： 温度温度T100，VG2.7V微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16PMOS NBTI的来源的来源VT的漂移与氧化层界面的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正
12、陷阱电荷的增加成正比关系比关系 NBTI应力试验中应力试验中PMOS FET (TOX1.3nm) ，阈值电压漂，阈值电压漂移与移与DCIV电流的关系电流的关系曲线。曲线。 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17PMOS NBTI的来源的来源VT的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比关系关系 微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系18NBTI缺陷产生机理缺陷产生机理微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系19NBTI与HC与与NMOSFET热载流子效应相比，热载流子效应相比，PMOSFET NBTI 对器件工作寿命的限制更为重要，对器件工作寿命的限制更为重要，
13、VD低于低于3V时，时，NBTI比热载流子的寿命更短。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20NBTI与与HC与与NMOSFET热载流子效应相比，热载流子效应相比，PMOSFET 的的NBTI 对器件工作寿命的限制更为重要，对器件工作寿命的限制更为重要，VD低低于于3V时，时，NBTI比热载流子的寿命更短。比热载流子的寿命更短。 器件参数与器件参数与CHC、NBTI微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系21NBTI对晶体管性能的影响对晶体管性能的影响由于阈值电压的漂移，使得漏极电流同时发生由于阈值电压的漂移，使得漏极电流同时发生漂移，随着漂移，随着VDD增加，增加，IDS的漂移也增加的漂移也增加微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系22NBTI对电路性能的影响对电路性能的影响CMOS反向器中的反向器中的VT漂移漂移
