【文章內(nèi)容簡介】 c charge) 4. 氧化物陷阱電荷 (Qot) xide apped charge Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 40 1 固定電荷 Qf 固定電荷來源示意圖 ?正電荷 ,電荷密度 。 9 1 1 21 0 1 0 cm ??固定電荷是由 SiSiO2界面附近過剩的 Si離子或者說是氧空位引起的，其存在于 SiO2中，距 SiSiO2界面約幾十埃的范圍內(nèi)。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 41 ? 特性 界面固定電荷密度與晶向關(guān)系 （ 1）固定電荷的面密度是固定的，不隨外加偏壓和Si表面勢變化； （ 2） SiO2層厚度、 Si襯底摻雜類型及濃度（ 1014—1017/cm3內(nèi)）對 Qf無明顯影響； （ 3）在相似的工藝條件下， Qf隨晶體的取向而明顯變化，并按（ 111） （ 110） (100)順序遞減，近似呈 3： 2： 1，如表所示； Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 42 界面固定電荷密度與晶向關(guān)系 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 43 （ 4) 固定電荷密度 Qf與工藝條件密切相關(guān) ——遵循Deal三角形規(guī)律 Deal 三角關(guān)系 (Deal Triangle) ?斜邊代表了 Qf和氧化溫度的關(guān)系，溫度越高， Qf越??； ?垂直邊表示氧化溫度不變，只要改變氣氛 (N2或Ar)會使 Qf大大降低； ?底邊表示不論氧化時溫度如何 ,只要經(jīng)過干氮或氬氣退火 ,就可以得到較低的Qf值。 c?Deal三角形 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 44 ?影響 (1) 使 mos結(jié)構(gòu)的 CV曲線向負(fù)方向平移，而不改變其形狀 。 (2) 由于 Qf固定，僅影響閾值電壓的大小，但不會導(dǎo)致閾值電壓的不穩(wěn)定。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 45 原因：鈉性質(zhì)活潑；含量高；在 SiO2中的擴(kuò)散數(shù)僅次于 H ，比 B、P、 As 大近萬倍。 氧化層中雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù) 2 可動離子電荷 Qm ?氧化層中的可動離子電荷 (Li+、 K+、 Na+等堿金屬離子和 H＋ 離子等）其中以鈉離子（ Na+）影響最大 。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 46 * 引起 PNP管集電區(qū)反型產(chǎn)生溝道，使擊穿電壓降低 ,漏電流增大。 ? 影響 (1) 降低了 pn結(jié)擊穿電壓，增加了漏電流。 PNP管的場感應(yīng)結(jié)及其擊穿特性 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 47 NPN管的場感應(yīng)結(jié)及其擊穿電壓 * 引起 NPN管基區(qū)反型，產(chǎn)生溝道，導(dǎo)致 TTL電路多發(fā)射極晶體管交叉漏電流增加，使前級輸出高電平降低以至失效；導(dǎo)致集電區(qū)表面 n+化，使擊穿電壓下降。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 48 (2) 引起晶體管電流增益漂移； 理論分析指出，在厚度為dox的 SiO2中，可動電荷密度為?（ x）時， Si—SiO2 界面可動有效凈電荷密度為 : ?p（ x）變化 ?Vt漂移。 ? ?0 1oxm ToxxQ x d xd???????????F?柵氧化層中的離子電荷 (3) 引起 MOS器件閾值電壓漂移； Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 49 式中， Qf為 SiO2層中的固定電荷， Qm為層內(nèi)可動電荷密度， QSDmax為表面耗盡層最大電荷密度 ,C0為單位面積的柵氧化層電容， ?ms 為金屬－半導(dǎo)體功函數(shù)差， ?F為半導(dǎo)體襯底的費米電勢。 ?在溫度－偏壓作用下 ? SiO2 中可動離子電荷移動 ? ?（ x） 變化 ? Qm變化 ? VT 漂移。 m a x02f m S DT m s FQ Q QV C ?????? ? ? ? 對 N 溝 MOS 器件，其閾值電壓 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 50 3 界面陷阱電荷 Qit — 快表面態(tài)或界面態(tài) 910 9 1 1 2 11 0 1 0 c m e v???密度 : ?起源于 Si—SiO2界面的結(jié)構(gòu)缺陷、氧化感生缺陷以及金屬雜質(zhì)和輻射等因素引起的一些缺陷。 這種結(jié)構(gòu)缺陷可接受空穴或電子而帶一定電荷，即界面陷阱電荷。 ?電荷可能是正、負(fù)或者中性；可以與硅交換電荷，所帶電荷狀態(tài)取決于偏壓 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 51 ? Qit 與 Si 基片晶向有關(guān)，按（ 111)(110) (100)遞減 。 ? 影響 ? Qit與工藝的關(guān)系 —遵循 Deal三角形規(guī)律 （ 1）干 O2氧化比濕氧氧化的 Qit 大 ； （ 2）氧化溫度越低， Qit 越大； （ 3）氧化后 N2 氣氛中退火可降低 Qit。 （ 1）小電流下的電流增益 hFE降低 ； （ 2） 1/f噪聲增加； （ 3） MOS器件的跨導(dǎo)和截止頻率降低。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 52 4. 氧化層陷阱電荷 Qot ?主要來源： SiSiO2系統(tǒng)受到 χ 射線、 γ 射線、高能乃至低能各種輻射后產(chǎn)生的電子－空穴對；也可以是雪崩或非雪崩下熱載流子注入產(chǎn)生的電子－空穴對。 ? Qot可以是正電荷，也可以是負(fù)電荷，其取決于 SiO2陷阱中俘獲的是空穴還是電子。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 53 ? Qot主要影響器件在宇宙空間和核環(huán)境中 的應(yīng)用。 ? Qot與工藝的關(guān)系 （ 1） Qot可在 H2 或者惰性氣氛中退火減少乃至消除。 （ 2）使用抗輻射的介質(zhì)膜作表面鈍化膜，可以提高器件的耐輻射能力。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 54 167。 ? 熱載流子 —能量比費米能級大幾個 KT以上的載流子。 ? 熱載流子與晶格不處于熱平衡狀態(tài)，當(dāng)其能量達(dá)到甚至超過 Si–SiO2 勢壘（ ) 時，便會注入到 SiO2中去 ,其中部分被 SiO2中的陷阱俘獲，這就是熱載流子的注入效應(yīng)。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 55 ? 影響 PN結(jié)擊穿電壓 的蠕變 1， PN結(jié)擊穿電壓的蠕變 （ 1）當(dāng)測量 PN結(jié)的雪崩擊穿電壓時 , 隨著擊穿時間的延長 ,擊穿電壓在緩慢增加或降低 ,這種現(xiàn)象稱為擊穿電壓的蠕變。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 56 （ 2）現(xiàn)已公認(rèn)， PN結(jié)擊穿電壓的蠕變是擊穿過程中熱載流子向氧化層注入的結(jié)果。 P+N結(jié)雪崩擊穿時熱載流子注入 ?熱載流子注入可以是多子注入，也可以是少子的注入 —取決于 SiSiO2界面的電場方向。 ? 例： Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 57 2， N溝道 MOS器件中的熱電子效應(yīng) 溝道熱電子示意圖 ? 引起 MOS器件閾值電壓的漂移和跨導(dǎo)的下降 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 58 ▲ 小結(jié)： 由于 Si – SiO2界面存在氧化物電荷，引起器件參數(shù)不穩(wěn)定，其中，影響最大的為可動離子電荷（例如 Na+ ),為減少 SiO2 中 Na+沾污和降低 SiO2中 Na+的活性 ,在工藝中采取鈍化措施。 鈍化主要從三方面進(jìn)行： (1) ―無 Na‖ SiO2的生長； (2) 減弱 Na+的活性； (3) 防止芯片制成后 Na+的二次沾污。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 59 167。 金屬化系統(tǒng) 167。 鋁的電遷移 ?定義：當(dāng)直流電流流過金屬薄膜時，導(dǎo)電電子與金屬離子將發(fā)生動量交換而引起金屬離子的遷移，這種現(xiàn)象稱為金屬的電遷移。 ?鋁膜的電遷移現(xiàn)象 1966年由 Blech 和 Sello發(fā)現(xiàn)。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 60 硅平面工藝中，用蒸發(fā)或濺射方法制備的金屬薄膜是多晶膜 。 一 金屬薄膜的缺陷和擴(kuò)散 濺射過程示意圖 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 61 淀積薄膜的過程 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 62 Al和 Au金屬膜的晶粒尺寸 ? 金屬膜的晶粒直徑取決于膜生長時襯底材料的溫度及生長后的退火溫度和時間； a Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 63 1，金屬薄膜中存在的缺陷 缺陷：實際晶體結(jié)構(gòu)中與理想點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。 （ 1）點缺陷 —— 零維缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等） （ 2）線缺陷 —— 一維缺陷（位錯等） （ 3）面缺陷 —— 二維缺陷（晶粒間界 — 多晶體內(nèi)不同取向的晶粒界面） 這些缺陷在空間中有明確可辯的圖象，在時間上也具有一定的延續(xù)性，所以，在一定程度上可以將這些缺陷當(dāng)作獨立的個體對待。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 64 2, 空位和晶界