第02章表面失效機(jī)理

1、第 11 頁(yè) 共 11頁(yè) 第二章 表面失效機(jī)理 1*半導(dǎo)體器件常見的失效模式和機(jī)理 失效機(jī)理是指引起器件失效的實(shí)質(zhì)原因，即引起器件失效的物理或化學(xué)過程。半導(dǎo)體器件包括二極管/三極管/集成電路和可控硅器件等。由于它們?cè)诓牧虾凸に囍圃焐喜顒e較小，所以失效機(jī)理大致相同，只是因器件種類不同，對(duì)各種失效機(jī)理的靈敏度有所不同，即使MOS電路和大規(guī)模集成電路（LSI），除了少數(shù)特殊問題外，其基本失效機(jī)理大致相同。因?yàn)樗邪雽?dǎo)體器件都是由芯片。電極系統(tǒng)/封裝系統(tǒng)等幾大部分組成。并且制造工藝和所用材料十分類似，所以基本失效機(jī)理是一致的。常見的失效機(jī)理如表2-1所示。集成電路失效機(jī)理如表2-2所示。 2* SiO

2、2-Si 系統(tǒng)中的電荷 由于SiO2的鈍化作用，硅平面器件的穩(wěn)定性和可靠性有了很大提高，但它并不是完美無缺的，仍然存在著很大的不穩(wěn)定性。近幾十年來，人們對(duì)SiO2-Si系統(tǒng)中引起的器件不穩(wěn)定的原因進(jìn)行了大量的研究，實(shí)驗(yàn)分析表明，SiO2Si系統(tǒng)內(nèi)存在四種電荷：固定電荷/界面態(tài)/可動(dòng)正離子和電離陷阱。它們將嚴(yán)重地影響器件的可靠性和穩(wěn)定性，這些電荷的分布如圖2-1所示。 一可動(dòng)正離子 SiO2的可動(dòng)正電荷是堿金屬離子沾污，它們是鈉離子/鉀離子/鋰離子等正電荷。其中最主要的是鈉離子。因?yàn)殁c離子不僅遷移率較大（比鉀離子高一個(gè)數(shù)量級(jí)）而且鈉離子在地球上含量最多（儲(chǔ)量在化學(xué)元素中占第16位），而鋰（Li）

3、元素在半導(dǎo)體器件工藝中卻很少遇到，因此可動(dòng)電荷主要來源于鈉離子沾污。器件生產(chǎn)中所用的材料/玻璃器皿/化學(xué)式劑/去離子水/石英管等，鎢絲以及不銹鋼鑷子等都含有鈉離子。例如每克硼硅玻璃中含有7*1020個(gè)鈉離子。造成熱生長(zhǎng)SiO2中鈉離子含量高的另一個(gè)原因是鈉離子在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很大，它僅次于氫離子，比常用的雜質(zhì)元素P/B/As大近萬倍。因此可以說在硅平面工藝的各種熱處理過程中，SiO2對(duì)于鈉離子是“透明”的，在溫度-偏壓實(shí)驗(yàn)中（如高溫電老化）鈉離子能在SiO2中橫向及縱向移動(dòng)，從而調(diào)制了器件有關(guān)表面的表面勢(shì)，引起器件參數(shù)的不穩(wěn)定，甚至失效。 在常規(guī)工藝生長(zhǎng)的氧化層中存在著1012-1013

4、個(gè)/cm2鈉離子，在氧化膜生長(zhǎng)過程中鈉離子傾向于SiO2表面積累（此時(shí)對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響較?。?，但在溫度偏壓條件下，鈉離子很快穿過SiO2并堆積到Si-SiO2界面附近，對(duì)半導(dǎo)體器件的影響增強(qiáng)，因此鈉離子在氧化層中的分布幾率呈現(xiàn)“U”形分布。 二固定電荷 它是存在于氧化層中靠近SiSiO2界面的25*10-10m范圍內(nèi)的正電荷。它起源于氧化過程引入的缺陷，由硅在氧化過程中硅界面氧化不完全，存在過量硅離子（即氧空位）而引起。硅在氧化過程中，SiO2的增厚是由O2或H2O擴(kuò)散過已生成的SiO2層，在SiO2Si界面處與原子反應(yīng)生成新的SiO2所致。由于SiO2Si界面附近的O2濃度很低這就造成了

5、該處SiO2結(jié)構(gòu)中的缺氧狀態(tài)，即氧空位，如圖2-2所示。 固定電荷的特征如下： 1其表面密度是固定的不隨外加偏壓和硅表面勢(shì)而變化。 2二氧化硅層厚度/硅襯底摻雜類型及濃度對(duì)固定電荷無顯著影響。 3在相似的工藝條件下，固定電荷面密度隨硅晶體取向而明顯變化，并按（111）（110）（100）順序遞減，近似3：2：1，如表2-3所示。 4熱氧化過程的氣氛/高低溫退火氣氛及氧化溫度對(duì)固定電荷數(shù)值均有很大影響。主要取決于最后一道高溫處理。 固定電荷的影響是使MOS結(jié)構(gòu)的CV曲線向負(fù)方向平移，而不改變其形狀。使MOS管閾值電壓VT增大，但不會(huì)影響其穩(wěn)定性。 二界面態(tài)（界面陷阱電荷） 界面陷阱過去曾稱為“快

6、表面態(tài)”，在電學(xué)性質(zhì)上界面態(tài)可以是施主或受主，也可以是少數(shù)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合中心。它起源于Si-SiO2界面結(jié)構(gòu)缺陷和氧化感生缺陷，以及金屬雜質(zhì)和輻射等因素引起的其它缺陷。Si-SiO2界面的硅原子懸掛鍵是一種主要的結(jié)構(gòu)缺陷，這種懸掛鍵通過上述方式與硅表面層交換電子和空穴，因而調(diào)制了硅表面勢(shì)，造成了器件參數(shù)的不穩(wěn)定性。這種界面陷阱也可同時(shí)俘獲一個(gè)電子和一個(gè)空穴而起復(fù)合中心作用，它導(dǎo)致了器件表面漏電流和1/f噪聲的增大以及增大以及電流增益（跨導(dǎo)）的降低。 表2-1雙極型器件和MOS器件常見失效機(jī)理部位失效機(jī)理小功率管大功率管雙極電路MOSCMOS可控硅表面（1）表面正電荷引起溝道漏電/Hfe下降

7、121112（2）表面吸附121112（3）鈍化層/氧化層缺陷232113體內(nèi)（1）熱電擊穿313322（2）閂鎖效應(yīng)（3）輻射損傷232111（4）材料缺陷212221（5）應(yīng)力釋放11金屬化（1）電遷移312331（2）腐蝕231113（3）鋁硅共溶212331（4）鋁與二氧化硅反應(yīng)312331（5）工藝缺陷231113鍵合（1）金屬間化合物212331（2）粘污232113（3）焊料疲勞323332（4）工藝缺陷221112封裝（1）漏氣231113（2）腐蝕231113（3）熱不匹配3131（4）外來物231113外來因素（1）過電應(yīng)力111111（2）電源跳動(dòng)（電浪涌）12（3）機(jī)械

8、過應(yīng)力313331（4）電磁脈沖2111 注：1-重要 2-次要 3-更次要 界面密度約1011個(gè)/cm2，它取決于硅晶體的晶向/氧化和退火條件。（111）晶面最高，（110）次之，（100）最小。干氧氧化比濕氧氧化大，氧化溫度越低，密度越大。工藝上常采用氮?dú)浜姹悍椒▉硖岣咝‰娏鞯碾娏髟鲆?，其道理就在于它可以降低界面態(tài)，減少?gòu)?fù)合中心。 四輻射電離陷阱 當(dāng)SiSiO2系統(tǒng)受到射線/X射線或高能電子照射后，一方面使SiO2層中陷阱密度增加，另一方面產(chǎn)生電子空穴對(duì)。如果SiO2中沒有電場(chǎng)存在，電子與空穴將直接復(fù)合，結(jié)果在SiO2中并沒有凈電荷建立起來。只有當(dāng)金屬電極上加有正電壓時(shí)，電子被拉向電極并流

9、到外電路中，而空穴則被氧化層內(nèi)的陷阱所俘獲，在氧化層中形成凈正電荷，密度在1018個(gè)/cm2左右。它取決于電離輻射強(qiáng)度和當(dāng)時(shí)加在氧化層上的電壓。低溫退火，或向二氧化硅層中注入電子，可以減少輻射產(chǎn)生的正電荷。 表2-2集成電路的主要失效因素及防止失效的措施失效因素失效現(xiàn)象失效原因防止失效的措施（1）引線鍵合處失效輸出“0”電平增大，輸出“1”電平增大，端點(diǎn)斷開，有時(shí)工作不良。生成Au-Al間化合物；鍵合不良。使用鋁引線。梁式引線。（2）表面退化輸入/輸出反向電流增大；輸入輸出耐壓降低；MOS的閾值電壓變化。由于氧化膜中的離子移動(dòng)而形成溝道；表面復(fù)合增大；寄生MOS效應(yīng)。改進(jìn)氧化膜生長(zhǎng)條件；防止表

10、面粘污；進(jìn)行篩選。（3）異物混入電極短路；瞬時(shí)工作不良等。微小異物混入制造工藝流程的管理嚴(yán)格化；進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)。（4）內(nèi)部鋁蒸發(fā)布線失效端點(diǎn)斷開；電極短路；停止執(zhí)行電路功能。由于內(nèi)部鋁蒸發(fā)工序不合適，膜厚不夠等；由于電徒動(dòng)生成觸須和空隙；由潮氣/污物等生成氫氧化物。恰當(dāng)選取布線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及蒸發(fā)工序；除去封入的潮氣及污物。（5）外殼漏氣輸入輸出反向電流增大；輸入輸出耐壓降低；端點(diǎn)斷開；停止執(zhí)行電路功能。侵入外殼中的潮氣加速表面退化以及內(nèi)部鋁蒸發(fā)布線退化。嚴(yán)格實(shí)行外殼撿漏。（6）由于浪涌電流或電壓造成電極破壞端點(diǎn)斷開；電極短路；停止執(zhí)行電路功能；柵損壞（對(duì)MOS集成電路而言。由于通過大電流造成鋁蒸發(fā)布

11、線熔斷/PN結(jié)破壞或由于鋁電極強(qiáng)電場(chǎng)引起瞬間短路。防止浪涌電壓（或電流）。（7）氧化膜缺陷電極短路。電極金屬通過氧化膜缺陷侵入，造成短路。恰當(dāng)選擇氧化膜生長(zhǎng)條件；嚴(yán)格管理光刻工序。 表2-3 界面固定電荷密度與晶向的關(guān)系氧化條件溫度（*C）晶向密度（*1011個(gè)/cm2）干氧1200（111）1.7 (110)0.6 (100)0.2干氧920 (111)4.7 (110)2.1 (100)1.7 五氧化層外表面的可動(dòng)電荷 在器件制造或使用過程中，因表面粘污了濕氣和導(dǎo)電物質(zhì)或輻射電離/靜電荷積累等因素的作用，都會(huì)在SiO2表面上產(chǎn)生正離子和負(fù)離子。它們?cè)谄珘旱淖饔孟履苎乇砻嬉苿?dòng)，正離子聚集在負(fù)

12、電極周圍，負(fù)離子聚集在正電極周圍，從而改變了電極的有效面積。粘污嚴(yán)重時(shí)足以使Si表面勢(shì)發(fā)生相當(dāng)程度的改變。這些外表面可動(dòng)電荷的積累降低了表面電導(dǎo)，引起表面漏電和擊穿蠕變等。 Na+ Na+ Na+ Na+ + + SiO2 + + + + Si 圖2-1 SiO2Si 系統(tǒng)中的電荷 O2 SiO2 Si 過剩Si 濃度 過剩O2 距離 圖2-2 SiO2結(jié)構(gòu)中的過剩Si導(dǎo)致形成固定電荷 3*鈉離子對(duì)器件可靠性的危害 上述幾種氧化層電荷中，尤其以可動(dòng)離子Na+對(duì)半導(dǎo)體器件可靠性的危害最大。在溫度-偏壓的作用下，SiO2中的可動(dòng)離子Na+既可以在Si-SiO2界面的垂直方向移動(dòng)，也可以在其水平方向

13、移動(dòng)，于是在硅表面感應(yīng)出的負(fù)電荷數(shù)量極其位置也隨之發(fā)生變化，從而引起元件參數(shù)的漂移，影響器件性能的穩(wěn)定性。 一引起P區(qū)表面反型，產(chǎn)生溝道 1SiO2對(duì)Na+幾乎沒有阻擋能力，Na+在SiO2內(nèi)有較高溶解度和較大遷移率，溫度越高運(yùn)動(dòng)越快。晶體管工作時(shí)，在溫度偏壓應(yīng)力的作用下，Na+逐漸被驅(qū)趕到Si-SiO2界面，冷卻后Na+將積累在界面上。由于靜電感應(yīng)作用的增強(qiáng)，使硅表面感應(yīng)出負(fù)電荷量增加，引起PNP管基區(qū)的P型材料向N型轉(zhuǎn)變，嚴(yán)重時(shí)基區(qū)表面出現(xiàn)反型層（即反型溝道）。 2NPN管與PNP管相比，PNP管的集電區(qū)比NPN管的基區(qū)更容易出現(xiàn)反型溝道（因?yàn)镻NP管收集區(qū)的P型雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)低于）。反型溝道

14、漏電流有飽和型和非飽和型兩種，如圖2-3所示。 3場(chǎng)感應(yīng)結(jié)特性。由于P型硅表面出現(xiàn)反型層，引起PN結(jié)面積增大，此時(shí)的結(jié)面積除了原來的冶金結(jié)外，還應(yīng)加上表面反型產(chǎn)生的“場(chǎng)感應(yīng)結(jié)”。PN結(jié)反向漏電流取決于冶金結(jié)漏電和場(chǎng)感應(yīng)結(jié)漏電流之和。但場(chǎng)感應(yīng)結(jié)漏電遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冶金結(jié)漏電，因此對(duì)場(chǎng)感應(yīng)結(jié)的漏電流應(yīng)作詳細(xì)分析。 PN結(jié)反偏時(shí)，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)產(chǎn)生的反向漏電流是橫向通過溝道并流入地端，如圖2-3所示。由于N型溝道很薄，有較大的橫向電阻，所以橫向流過溝道的反向電流必將在溝道上產(chǎn)生較大的電壓降，從而導(dǎo)致溝道各處的壓降不同。圖2-3中B點(diǎn)的電壓最大（等于外加反向偏壓），沿著Y方向場(chǎng)感應(yīng)結(jié)的壓降將逐漸減小，到A點(diǎn)電壓變?yōu)?/p>

15、零，A點(diǎn)位置由Vbc=Ibc*Rch（Rbc是AB之間溝道電阻）。由于場(chǎng)感應(yīng)結(jié)上的壓降不均勻，相應(yīng)的耗盡區(qū)寬度也不一樣。場(chǎng)感應(yīng)結(jié)中，對(duì)反向漏電流有貢獻(xiàn)的僅僅上是AB段，通常稱這部分場(chǎng)感應(yīng)結(jié)長(zhǎng)度為“溝道有效長(zhǎng)度”用L表示。A點(diǎn)右方雖然存在溝道，當(dāng)反偏壓Vcb增加時(shí)，零偏壓點(diǎn)A就向外移動(dòng)，使流過電流的溝道總面積增加，因而引起溝道電流的增加。如此同時(shí)，場(chǎng)感應(yīng)結(jié)耗盡區(qū)的寬度也逐漸增寬。由于溝道層很薄，當(dāng)反向電壓增大到某一值V夾斷時(shí)，將會(huì)使B點(diǎn)的耗盡區(qū)直接與硅表面接觸，此時(shí)B點(diǎn)處的溝道就被耗盡區(qū)夾斷。再繼續(xù)增大電壓，與硅片表面接觸的耗盡區(qū)的長(zhǎng)度顯然也要增加，但它與溝道長(zhǎng)度L相比則小得多，所以L基本上保持

16、恒定，因此反向偏壓大于V夾斷后，溝道電流的增長(zhǎng)就出現(xiàn)飽和值H（即“靠背椅”曲線）。此時(shí)，多余的電壓主要表現(xiàn)在冶金結(jié)上，直至發(fā)生擊穿。如果表面粘污的鈉離子濃度很高，溝道電導(dǎo)率高而且溝道很厚，以至結(jié)的耗盡區(qū)增寬后仍不能完全到達(dá)Si表面，則漏電流呈現(xiàn)非飽和溝道特性。出現(xiàn)非飽和溝道漏電，說明器件內(nèi)鈉離子粘污十分嚴(yán)重。 4對(duì)于集成電路中的NPN管，SiO2中的鈉離子粘污將引起基區(qū)（P型）表面反型，引起C-E漏電和多射極管（如TTL電路輸入端）交叉漏電增大，出現(xiàn)圖2-3所示的溝道特性。 此外，需要指出，在熱氧化過程中的雜質(zhì)分凝現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致P型硅表面向N型轉(zhuǎn)化。熱氧化時(shí)硅中的硼雜質(zhì)有向二氧化硅中聚集的趨勢(shì)，

17、因而使P 型硅表面硼的濃度大大降低，以致使表面容易出現(xiàn)反型層。PNP管的收集區(qū)和N-MOS最容易受到這種反型溝道的影響，但這種溝道漏電與鈉離子粘污引起的溝道漏電有顯著區(qū)別，鈉離子感生溝道引起漏電不穩(wěn)定，在電老化和高溫存放后會(huì)發(fā)生變化，也可以磷吸收工藝消除，當(dāng)氧化層去除后，溝道漏電立即消失。而雜質(zhì)分凝引起的溝道漏電是穩(wěn)定的，經(jīng)高溫存放，或高溫老化后不會(huì)發(fā)生變化，即使除去SiO2層漏電流也不會(huì)變化，但用低溫氧化（CVD）生長(zhǎng)的SiO2不會(huì)出現(xiàn)這種分凝現(xiàn)象，它可以避免這種溝道漏電的出現(xiàn)。 二擊穿特性蠕變 測(cè)量PN結(jié)擊穿電壓時(shí)，往往出現(xiàn)擊穿電壓隨時(shí)間增加或隨擊穿電流增加而增大，這種現(xiàn)象在雙極型器件和M

18、OS器件中均存在。擊穿蠕變對(duì)器件穩(wěn)定性危害極大，特別是對(duì)高反壓二極管的危害更大。 擊穿蠕變與表面擊穿有關(guān)，產(chǎn)生的原因有： 1表面擊穿引起SiO2中的可動(dòng)電荷重新分布。反向擊穿時(shí)，PN結(jié)上方SiO2內(nèi)的鈉離子因受橫向電場(chǎng)的作用而移向負(fù)電壓的P+區(qū)上方（即P+區(qū)上方鈉離子增多，N區(qū)上方的鈉離子減少），致使N區(qū)耗盡層在表面處增寬，因而引起擊穿電壓升高。由于高反壓二極管的反偏壓很高，橫向電壓作用強(qiáng)，所以容易出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。 2表面擊穿引起熱載流子注入。雪崩擊穿時(shí)產(chǎn)生大量熱載流子（能量高于室溫KT值的載流子）。體內(nèi)產(chǎn)生的熱載流子常常在未到達(dá)Si-SiO2界面時(shí)就復(fù)合了，只有靠近界面的PN結(jié)擊穿所產(chǎn)生的載流

19、子，才能穿過界面位壘（3.1Ev）注入SiO2中并填充界面附近的陷阱，從而改變了PN結(jié)在表面處耗盡層寬度。例如N+P結(jié)，結(jié)上方的鋁條或電極構(gòu)成了金屬柵M，當(dāng)M為負(fù)電位或與P區(qū)同電位時(shí)，空穴受界面附近電場(chǎng)的作用而注入到SiSiO2界面的陷阱中去，從而使P區(qū)耗盡層在表面處變寬，致使擊穿電壓升高。擊穿后又一次產(chǎn)生了大量熱電子空穴對(duì)，熱載流子進(jìn)一步對(duì)P型耗盡層電導(dǎo)發(fā)生調(diào)制，致使耗盡層又增寬，擊穿電壓又增大，當(dāng)然不可能無限制增加，因?yàn)镾iO2中的陷阱數(shù)量是有限的。 總之，PN結(jié)存在以下兩種情況時(shí)容易發(fā)生蠕變擊穿： （1）對(duì)N+P結(jié)，結(jié)上方的氧化層存在控制柵且柵電壓為負(fù)值或與P區(qū)同電位時(shí)。 （2）氧化層內(nèi)

20、具有負(fù)電荷（如AL2O3內(nèi)存在負(fù)電荷）。 三SiO2膜與時(shí)間相關(guān)的擊穿（簡(jiǎn)稱TDDB）現(xiàn)象與鈉離子粘污密切相關(guān)。它比介質(zhì)瞬間擊穿的危害更大，它嚴(yán)重影響LSIMOS電路的長(zhǎng)期可靠性，尤其是對(duì)于大型電子系統(tǒng)中所用的各種動(dòng)態(tài)MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器來講，是一種潛在的失效機(jī)理。 TDDB是指在二氧化硅膜上施加的場(chǎng)強(qiáng)，在低于介質(zhì)擊穿的情況下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，擊穿的概率也逐漸增加，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，仍會(huì)導(dǎo)致二氧化硅膜擊穿。 1二氧化硅的TDDB與鈉離子粘污有關(guān)。導(dǎo)致發(fā)生TDDB的機(jī)理是金屬二氧化硅界面陷阱的鈉離子發(fā)射和硅二氧化硅界面處的鈉離子聚集。當(dāng)MOS器件施加正柵電壓時(shí)，束縛在鋁-二氧化硅界面陷阱中的鈉離子便發(fā)

21、射出來，它們?cè)陔妶?chǎng)的驅(qū)使下越過二氧化硅膜，向硅二氧化硅界面運(yùn)動(dòng)，并積累在硅二氧化硅的缺陷處。隨著時(shí)間的推移，這種鈉離子的積累不斷增加，局部電場(chǎng)也隨之增強(qiáng)，以至引起局部的隧道擊穿。擊穿電流隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，最后導(dǎo)致介質(zhì)擊穿。 SPLi首次從理論上給出了與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿理論模型。其擊穿概率P1（t1E）為： P1（t1E）=BLn（t/t0） B=ADN1KT 式中：A是擊穿的硅-二氧化硅界面面積（即鋁-二氧化硅界面面積），D是硅-二氧化硅界面上的有效缺陷密度，是缺陷對(duì)鈉離子的有效俘獲截面，N1是鋁-二氧化硅界面陷阱內(nèi)單位能量間隔內(nèi)俘獲的鈉離子密度，t0是延遲時(shí)間。根據(jù)上述公式可得出以下結(jié)論：

22、 （1）TDDB概率P1與時(shí)間的對(duì)數(shù)成正比。 （2）鋁-二氧化硅界面面積A越大，則TDDB概率也越大。 （3）硅-二氧化硅界面有效缺陷密度D越大，則TDDB概率也越大。 （4）TDDB概率與鋁-二氧化硅界面陷阱的鈉離子密度成正比，即與氧化/金屬化等工藝過程中的鈉離子的粘污直接有關(guān)。 （5）TDDB概率與溫度成正比，因?yàn)闇囟仍礁?，束縛在鋁-二氧化硅界面陷阱中的鈉離子越易被激活，發(fā)射率就越高，所以溫度是誘發(fā)TDDB提前發(fā)生的主要應(yīng)力之一。 （6）外加電場(chǎng)越大，發(fā)生TDDB的概率就越大，所以電場(chǎng)也是誘發(fā)TDDB的主要原因之一。 2TDDB不僅對(duì)MOS器件的可靠性是一種威脅，就是對(duì)某些雙極型器件也同樣

23、如此。例如：某些微波功率晶體管采用的輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，它們均離不開MOS電容器；有些雙極型集成電路也采用MOS電容器作頻率補(bǔ)償（例如聲頻放大器的“T”型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)），這些MOS電容器也容易發(fā)生TDDB，因而影響了雙極型器件的可靠性。 為了降低TDDB概率，提高M(jìn)OS器件的可靠性，一方面應(yīng)設(shè)法降低工藝中的鈉離子粘污和減少硅片處理過程中的各種損傷，（尤其是拋光后硅表面的損傷，它影響硅-二氧化硅界面缺陷密度）。另一方面應(yīng)正確設(shè)計(jì)篩選應(yīng)力（主要是電場(chǎng)和溫度），可以剔除一部分對(duì)TDDB十分敏感的器件。 4*界面陷阱電荷對(duì)器件性能的影響 硅二氧化硅的界面陷阱電荷起源于氧化工藝引起的缺陷，雜質(zhì)缺陷以及輻射等

24、形成的缺陷。它對(duì)載流子有產(chǎn)生和復(fù)合作用，對(duì)硅表面又有靜電感應(yīng)作用，引起表面耗盡和反型。 一界面陷阱電荷引起小電流增益hfe下降 界面陷阱在半導(dǎo)體復(fù)合中心，它可以從導(dǎo)帶中俘獲電子，又能從滿帶中俘獲孔穴，因而使載流子的復(fù)合速度增大。 小電流增益hfe的大小主要取決于表面復(fù)合與體內(nèi)復(fù)合所引起的載流子數(shù)量損失。在小電流范圍內(nèi)，hfe隨集電極電流Ic的減小而降低，正是復(fù)合作用的結(jié)果。因?yàn)楣舶l(fā)射極電流增益的變化量hfe可用下式表示（以NPN管為例）： 1/hfe =（ist/ien）+（Ivr/ien）+（iep/ien） 其中，Isr 表面復(fù)合電流；Ivr 體內(nèi)復(fù)合電流；Iep 發(fā)射極電流的孔穴電流部分

25、； Ien 發(fā)射極電流的電子電流部分。 在小電流情況下，表面復(fù)合電流Isr的增大是導(dǎo)致小電流hfe減小的主要原因。 當(dāng)EB 結(jié)處于正偏，基區(qū)表面耗盡時(shí)的復(fù)合情況如圖2-4所示。圖中I1是發(fā)射區(qū)注入的電子電流，它在基區(qū)只有少部分與多子（孔穴）復(fù)合，剩下的電子繼續(xù)向收集極運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入收集極后形成Ic；I2為發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)的體內(nèi)復(fù)合電流；I3為耗盡區(qū)域的表面復(fù)合電流；I4為界面復(fù)合電流。由于I2/I3/I4構(gòu)成了基極電流的附加分量，因而引起hfe的減小。 當(dāng)二氧化硅內(nèi)的鈉離子粘污較多，基區(qū)表面出現(xiàn)了反型溝道時(shí)，表面復(fù)合將顯著增大，復(fù)合情況如圖2-5所示。 +VG +VG M I4 SiO2 I7 SiO

26、2 N+ I6 N+ + I3 + + + I2 + eb結(jié) + + P P eb結(jié) I5 I1 圖2-4 EB結(jié)表面耗盡區(qū)復(fù)合示意圖 圖2-5 基區(qū)出現(xiàn)溝道后的表面復(fù)合 圖中I5是場(chǎng)感應(yīng)結(jié)注入的電子電流，它對(duì)集電極電流IC的貢獻(xiàn)取決于基區(qū)寬度和場(chǎng)感應(yīng)結(jié)中的少子壽命；I7是場(chǎng)感應(yīng)結(jié)表面復(fù)合電流；IB是場(chǎng)感應(yīng)結(jié)隧道電流，也稱電導(dǎo)電流，當(dāng)基區(qū)為重?fù)诫s時(shí)容易產(chǎn)生很大的隧道電流。 二Hfe的雪崩衰退效應(yīng) 1Si-SiO2系統(tǒng)的界面態(tài)是少數(shù)載流子的產(chǎn)生復(fù)合中心。當(dāng)鈉離子粘污得到較好控制時(shí)（如1011/cm2），界面態(tài)對(duì)小電流hfe的退化就成為重要因素。PN結(jié)正偏時(shí)，界面態(tài)起復(fù)合中心的作用，圖2-4中的I

27、4就是由界面態(tài)的復(fù)合作用引起，對(duì)于淺結(jié)器件危害甚大。 PN結(jié)雪崩擊穿將引起界面態(tài)增加。EB結(jié)反向雪崩擊穿時(shí)，雪崩倍增產(chǎn)生的電子孔穴對(duì)從耗盡區(qū)電場(chǎng)中獲得足夠的能量。當(dāng)這些高能電子或孔穴轟擊EB結(jié)耗盡層附近的SiSiO2界面時(shí)，使界面受到損傷，晶格發(fā)生變化，從而引入界面態(tài)（即界面陷阱電荷），它使表面復(fù)合速度增加，造成小電流hfe下降。這就是小電流hfe的雪崩衰退現(xiàn)象。 2淺結(jié)/重?fù)诫s的微波管和高頻小功率管的雪崩衰退現(xiàn)象尤為明顯。這種衰退主要是在成品復(fù)測(cè)/篩選測(cè)試和管芯測(cè)試中不恰當(dāng)?shù)販y(cè)試了EB結(jié)反向擊穿特性而引起的。小電流hfe減小的程度隨擊穿電流增加而增大，隨擊穿時(shí)間增加而增大，并且hfe起始值大

28、的管子衰退更加明顯。 3已經(jīng)發(fā)生小電流hfe衰退的器件，經(jīng)電功率老化或長(zhǎng)期工作后hfe將會(huì)變大，性能得到一定程度的恢復(fù)。因此，發(fā)生雪崩衰退的器件在設(shè)備中工作將是不穩(wěn)定的。如果使用中不慎測(cè)試了EB擊穿特性并引起器件雪崩衰退，可以采用高溫存放或功率老化篩選方法使其恢復(fù)，經(jīng)充分退火復(fù)原的器件仍可使用。 5*表面電荷對(duì)MOS器件的影響 一對(duì)閾值電壓VT的影響 MOS器件屬于表面器件，它是利用表面效應(yīng)而工作的，其中柵氧化物是MOS器件的重要組成部分，因此MOS器件對(duì)表面失效機(jī)理尤其敏感。柵氧化層中的正電荷直接決定著MOS器件的主要參數(shù)閾值電壓VTC/VT是感應(yīng)導(dǎo)電溝道所必須施加的柵壓（一般在1uA下測(cè)得

29、）。其表達(dá)式為： VT=ms+b=（Qox/Cox）-（Qb/Cox） 式中：ms 柵金屬與襯底的接觸電位差；Qb 柵下耗盡區(qū)中固定離化雜質(zhì)電荷（NSi為正/PSi為負(fù)）；Cox柵氧化電容；b強(qiáng)反型時(shí)表面能帶彎曲所引起的勢(shì)壘高度（P-Si為正，N-Si為負(fù)）；Qox-柵氧化層內(nèi)正電荷。 對(duì)于某個(gè)已經(jīng)生產(chǎn)出來的MOS器件而言，其ms/b/Cox/Qb等參數(shù)都是恒定的，它們不會(huì)再發(fā)生變化，只有氧化層電荷Qox會(huì)發(fā)生變化。這種變化主要由可動(dòng)電荷的位置發(fā)生變化引起，可動(dòng)電荷距SiSiO2界面距離不等，所表現(xiàn)出的Qox也不等（Qox為界面處等效的有效電荷量），對(duì)閾值電壓VT的影響也不同。因此可動(dòng)電荷位置

30、的變化導(dǎo)致了VT發(fā)生漂移，其漂移值為VT=qox/Ci。 MOS電路在工作過程中，常因柵氧化物內(nèi)的鈉離子漂移引起VT漂移，當(dāng)漂移量超出了規(guī)范值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致器件失效，尤其是NMOS，VT漂移引起的失效更為重要。 二反向漏電對(duì)MOS電路的影響 MOS電路對(duì)漏電流要比雙極電路要高得多，特別是對(duì)MOS動(dòng)態(tài)邏輯電路尤其敏感。因?yàn)閯?dòng)態(tài)邏輯是靠存儲(chǔ)在柵氧化層電容上的電荷量進(jìn)行電平傳輸，如果PN結(jié)有微小的漏電流都會(huì)將電容上的電荷泄放掉（某個(gè)門的輸入柵必須與上一級(jí)輸出的擴(kuò)散區(qū)相連）。一旦電荷被漏掉，電路就失去功能。 三MOS管溝道覆蓋不全的影響 MOS管溝道覆蓋不全，容易出現(xiàn)溝道漏電。由于工藝缺陷（如光刻套刻誤差

31、過大）或版有缺陷，都會(huì)出現(xiàn)MOS電路內(nèi)部某些MOS管的鋁柵不能完全覆蓋住溝道，出現(xiàn)溝道覆蓋不全的現(xiàn)象。 在鋁表面無鈍化層保護(hù)的情況下，因受潮氣影響，芯片表面薄層電阻R 下降，鋁柵上的電荷就會(huì)泄漏到SiO2上，并對(duì)襯底產(chǎn)生漏泄電位VL。當(dāng)VLVT時(shí)，在未覆蓋的溝道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生寄生溝道，引起寄生溝道電流。有這種寄生溝道的MOS管從開到關(guān)時(shí)電流不能立即關(guān)閉為零，而是以=R Ci為時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律減小，因而引起開關(guān)特性劣化，甚至失效。而這種失效又與環(huán)境密切相關(guān)，例如在低溫下，管殼內(nèi)的水汽凝結(jié)到芯片上，就容易引起這類失效，但高溫存放后又恢復(fù)正常，因此對(duì)可靠性危害極大。 6* SiO2缺陷對(duì)器件性能的危害

32、 平面工藝中的SiO2有三種作用：作雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜；器件表面的保護(hù)和鈍化膜；某些器件的組成部分。但SiO2層不是完美無缺的，往往會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，破壞了上述作用，影響了器件的可靠性。SiO2的缺陷包括針孔/毛刺/鉆蝕/裂縫以及厚薄不均勻等。 一針孔 氧化層上出現(xiàn)的象針尖狀的小孔稱為針孔。它由光刻版上的小孔或小島；光刻膠中雜質(zhì)微粒；硅片上粘附的灰塵；膠膜上氣泡或氧化層質(zhì)量較差等原因引起。針孔是不連續(xù)的氧化層，它破壞了二氧化硅的絕緣作用，喪失或降低了二氧化硅的掩蔽能力，以至造成不希望的“虛假擴(kuò)散”或“尖端擴(kuò)散”，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)退化或失效。 鋁互連線或鋁電極下的二氧化硅有針孔會(huì)引起短路。對(duì)于

33、針孔已通到襯底表面或氧化層下面的元件，初測(cè)時(shí)就能剔除，但有的針孔只是該處氧化層極薄而未通到底或似通非通，這種缺陷往往不能通過測(cè)試加以剔除。使用或試驗(yàn)中這種針孔在電壓或溫度的作用下就會(huì)暴露出來，因此對(duì)器件可靠性的危害很大，尤其對(duì)MOS電路的危害極大，容易引起柵穿短路。因?yàn)镸OS器件的柵氧化層很?。ù蠹s10-3m），輸入阻抗又很高，它是理想的電容器，并且電容量很小，（0.050.1pF），因此對(duì)靜電荷的積累也十分敏感，很容易由靜電或電浪涌沖擊引起柵穿短路。二氧化層劃傷毛刺鉆蝕不均勻裂縫氧化層劃傷使其厚度減薄或氧化層不均勻等都會(huì)降低耐壓，或傷失對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽能力。鉆蝕和毛刺通常是由表面不清潔光刻膠

34、粘附不牢腐蝕時(shí)間過長(zhǎng)溫度過高等使氧化層窗口的邊緣不齊而造成的，它對(duì)器件可靠性的危害類似于針孔，它使擊穿電壓降低，漏電流增加甚至短路。氧化層出現(xiàn)裂縫將會(huì)引起金屬連線與硅片短路，或多層連線間短路。三二氧化硅膜的擊穿機(jī)理二氧化硅擊穿，從應(yīng)用的角度可分為自愈式擊穿和毀壞式擊穿。自愈式擊穿是局部擊穿點(diǎn)處產(chǎn)生的熱量將該處的金屬鋁蒸發(fā)掉，使擊穿點(diǎn)與其它完好的二氧化硅隔離。 （一）二氧化硅膜擊穿的特點(diǎn) 1主要的擊穿機(jī)理是離子感生擊穿和與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿，而碰撞電離引起的雪崩擊穿并不是主要的機(jī)理。 2在低于擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，二氧化硅膜的擊穿是FormelerNordheim隧道擊穿。 3擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨膜厚的增加而減

35、小。 4當(dāng)鋁膜電極的厚度比二氧化硅厚度小很多時(shí)，往往發(fā)生自愈式擊穿，其損傷是局部性的。 5二氧化硅膜最后的燒毀與急劇加熱有關(guān)。 6二氧化硅膜內(nèi)存在的鈉離子和氫離子使發(fā)生擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著降低。 （二）二氧化硅膜發(fā)生離子感生擊穿的過程- 二氧化硅的主要失效機(jī)理是與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）和離子感生擊穿。TDDB在前面已經(jīng)敘述，以下僅介紹離子感生擊穿。 1在陰極局部凸起部分發(fā)生FormlerNordheim 隧道擊穿。因?yàn)镾iSiO2界面或Al-SiO2界面凸起處電場(chǎng)集中，以至使鋁膜中的電子有足夠的能量穿過AlSiO2位壘（3 .1eV）進(jìn)入SiO2，形成隧道電流，發(fā)生FormlerNord

36、heim 隧道擊穿。 2隧道擊穿后產(chǎn)生的隧道電流在外電場(chǎng)作用下，呈絲狀的電流形式漂移穿過SiO2膜。絲狀電流通路的直徑很小（為10-8m量級(jí)），電流密度很大，而二氧化硅的熱導(dǎo)率很低，因此在局部區(qū)域產(chǎn)生大量焦耳熱，引起局部溫升，溫升又加大Formler-Nordheim隧道電流密度，它進(jìn)而又促進(jìn)了溫升，這種熱電反饋效應(yīng)最終形成了穩(wěn)定的局部高溫區(qū)。 3在隧道電流形成的高溫區(qū)內(nèi)，鈉和氫在高溫下離解，鈉離子和氫離子濃度進(jìn)一步增加。 4正離子運(yùn)動(dòng)到陰極增強(qiáng)了總電場(chǎng)，總電場(chǎng)又加大了隧道電流。 上述正反饋過程周而復(fù)始，在極短的時(shí)間內(nèi)（幾十ns），電流密度驟增以至發(fā)生擊穿，局部溫度可高達(dá)幾千度，結(jié)果導(dǎo)致鋁膜/二氧化硅發(fā)生熔融。 二氧化硅薄膜的擊穿主要由本身的缺陷和厚度決定。缺陷包括介質(zhì)中的氣孔/微裂縫/灰塵/纖維絲等疵點(diǎn)。在它們附近因發(fā)生氣體放電/等離子體/電弧/電熱分解等現(xiàn)象而擊穿。 7* N溝MOS器件中的熱電子效應(yīng) 隨著大規(guī)模集成（LSI）和超大規(guī)模集成（VLSI）電路的發(fā)展，又出現(xiàn)了一些新的失效機(jī)理，如熱電子效應(yīng)/氧化物隨時(shí)間的擊穿/歐姆接觸退化等問