超簿氧化层的击穿课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,*,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,近年在超薄氧化层可靠性方面的两个新问题,1。超薄氧化层的应力漏电(Stress Induced Leakage Current,SILC),软击穿（SBD,Soft BreakDown）。,2.PMOS器件的负偏不稳定性(Negative Bias Temperature Instability,NBTI),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近年,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,1。正常特性,2。应力漏电,Stress Induced leakage Current,3。软击穿,Soft Breakdown,4。硬击穿,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1,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,(SILC),应力漏电（,SILC）是1982年在加了恒定电应力(6.3V）的5nm超薄氧化层中发现的。,在一个n+Poly Si/SiO2/n+Si 的电容(10-4cm2)两端施加高压，其电场达到12MV/cm，测得如图（1）所示的电流和栅压关系曲线。,经正、负电应力前后的,IV曲线,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(,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,应力漏电流的大小是随时间而衰减的，它可以分为两部分：,a.瞬时电流J,tr;,随时间而衰减的；,b.直流电流J,ss:,大小恒定的,。,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,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,SILC与氧化层电容面积的关系:SILC与氧化层电容的面积成正比。,这说明SILC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。,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SILC,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,SILC与氧化层厚度的关系,T,OX,5nm，SILC随氧化层厚度的减小而增加,T,OX,5nm，SILC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6应力漏电的性质SILC,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,J,SILC,与,J,stress,、T,OX,的关系,(a)Ig(Vg)characteristics for J,stress,=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7应力漏电的性质JSIL,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,SILC的温度特性：SILC是随着温度的升高而增加，但其热激活能很小,所以它的变化仍是微弱的,.,SILC与测量电压的关系 SILC随测量时电场的增强而增加。,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SILC,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,起源于在氧化层电流应力产生的陷阱。,瞬时电流 这些缺陷与,SiO,2,界面靠得很近，在外加电场的作用下，缺陷中的电荷发生充电或放电过程，因而产生瞬时电流,。,直流电流 在电场下 弹性或非弹性陷阱辅助隧道电流,非弹性陷阱辅助隧道模型,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9应力漏电的来源起源于在,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,10,SILC,对器件可靠性的影响,SILC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，使得浮栅的阈值电压产生漂移。,经擦,/写后，浮栅漏电流与电压的典型曲线,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,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,11,软击穿,软击穿的漏电流比,SILC大2-3个数量级，但比击穿电流小4-6个数量级。,软击穿漏电流不随着器件面积的减小而减小。这说明它是一种局部失效。,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11 软击穿软击穿的漏,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,12,软击穿模式,软击穿可分为两种模式：,1）模拟信号模式（analog-mode soft breakdown），,2）数字信号模式（digital-mode 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12软击穿模式 软击穿可,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,1999年N.Kimizuka 等首先在氧化层厚度t,ox,=2.0 4.0nm 的N 及PMOSFET中观察到隧道超薄氧化层的偏置温度不稳定性。,PMOSFET的最大应力为3.0V（在3.5V会因碰撞电离产生电子、空穴对).试验温度高温为100和150。试验进行了10,5,秒（,27.7小时）,试验发现：,1 器件的V,T,和,G,M,随栅极发生漂移。,2 PMOSFET比NMOSFET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13超薄氧化层直接隧道的,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,14,PMOS NBTI的特性,V,T,与偏置时的温度、电压有强烈的关系。,V,T,与时间的,n次方成正比，即,V,T,t,1/4,.,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系14PMOS NBT,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,15,PMOS NBTI的特性,当氧化层的厚度越薄，同样条件下,V,T,的漂移越,大,.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，V,T,的漂移随着,PMOSFET沟道长度的减小而增加,PMOS FET(T,OX,1.3nm)NBTI应力试验，阈值电压漂移与时间的关系.应力条件：,温度T100，V,G,2.7V,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15PMOS NBT,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,16,PMOS NBTI的来源,V,T,的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比关系,NBTI应力试验中PMOS FET(T,OX,1.3nm)，阈值电压漂移与DCIV电流的关系曲线。,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16PMOS NBT,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,17,PMOS NBTI的来源,V,T,的漂移与氧化层界面陷阱电荷的增加成正比,关系,微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17PMOS NBT,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,18,NBTI缺陷产生机理,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,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,19,NBTI与HC,与,NMOSFET热载流子效应相比，PMOSFET NBTI 对器件工作寿命的限制更为重要，V,D,低于,3V时，NBTI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19NBTI与HC与NM,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,20,NBTI与HC,与,NMOSFET热载流子效应相比，PMOSFET 的NBTI 对器件工作寿命的限制更为重要，V,D,低于,3V时，NBTI比热载流子的寿命更短。,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20NBTI与HC与NM,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,21,NBTI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漂移，随着,VDD增加，IDS的漂移也增加,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,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,22,NBTI对电路性能的影响,CMOS反向器中的V,T,漂移,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,