MOS管器件擊穿機(jī)理分析

1、MOS管器件擊穿機(jī)理分析1MOS管發(fā)生雪崩擊穿時場強(qiáng)分布MOS管擊穿發(fā)生時場強(qiáng)分布如圖1所示，如果沒有柵，則PN結(jié)的最大場強(qiáng)出現(xiàn)在結(jié)中間Ei,由于多晶柵的存在，則在A點又出現(xiàn)一個場強(qiáng)峰值Ed，因為MOS管具有柵結(jié)構(gòu)，所以其擊穿和單純的PN結(jié)擊穿是不完全相同的。IjV-W：i專囲IMOS卷確端剖面鰭構(gòu)M百|(zhì)一這里我們從A、B兩點的場強(qiáng)Ei和Ed的大小來討論MOS管的擊穿特性。如圖1所示，Xbd是襯底中結(jié)耗盡寬度，Xdd是漏區(qū)結(jié)耗盡寬度。橫向電場分布我們已經(jīng)很了解，這里主要看縱向電場分布，從Xbd到Xdd，縱向電場和柵溝道電勢差有關(guān)，在測試擊穿時，柵是接地的，因為為0電位，所以縱向電場分布和溝道電

2、勢變化趨勢一致。從B到A點，電勢逐步升高，因此，縱向場強(qiáng)增大，但是從A到Xdd，盡管電勢仍然升高，但是由于氧化層增厚，因此場強(qiáng)有減小趨勢。所以在A點存在一個峰值電場。這個峰值電場的具體位置是否一定在多晶邊緣正下方和柵氧厚度有關(guān)。但A點的位置一定在多晶邊緣的外側(cè)的漏區(qū)。圖2（a）大致反應(yīng)了從Xbd到Xdd的場強(qiáng)和電勢分布情況，圖2（b）則分別從縱向和橫向反映電場分布情況。縱向電場分兩部分，一部分是氧化層中，一部分是Si中耗盡層；同樣，電勢也分為兩部分，一部分是在氧化層上的降落，一部分是Si中耗盡層降落。由于介電常數(shù)的關(guān)系，SiO2中場強(qiáng)是Si中峰值場強(qiáng)的3倍。下面討論在Ed發(fā)生擊穿的情形：（1）

3、A點（Ed）擊穿由于漏端電阻小，基本無電勢降落，在LDD上會出現(xiàn)電勢降落（若無LDD結(jié)構(gòu)，則A點的電勢和VCC基本相同相等）降落到A點時，此時A點和多晶柵之間的電勢在柵氧和耗盡層中形成電場，LDD處于耗盡狀態(tài)，會誘發(fā)LDD中雪崩擊穿。如圖3所示。NhuIsi©闔3A點前部結(jié)聞和咆腸電轉(zhuǎn)彷術(shù)<1）MIKA點胡部糾構(gòu).（b）漏憂血就電務(wù)電埼分布對Nsub接正，多晶接地，壓降降落在氧化層和耗盡層上，氧化層中是均強(qiáng)電場，耗盡層中電場和具體位置相關(guān)。根據(jù)高斯定理：QP=£0£siEsi,QT=£0£SiO2ESiO2,這里QT是總電荷，QP是多晶上

4、的正電荷和耗盡層中負(fù)電荷的和?？梢娫赟iSiO2的界面處存在電場突變現(xiàn)象。ESiO2/ESi的比值和它們的介電常數(shù)成正比，所以SiO2和Si為中最大場強(qiáng)比為11.9/3.9=3。在耗盡層邊緣，電場強(qiáng)度為0。一般氧化層的擊穿場強(qiáng)為9MVcm1,則達(dá)到SiO2擊穿場強(qiáng)時Si中的場強(qiáng)有3MVcm1,這個場強(qiáng)下Si襯底早發(fā)生雪崩擊穿。一般Si襯底溶度在1E14到1E17變化時，Si襯底的雪崩擊穿場強(qiáng)在0.2MVcm10.6MVcm1變化。若Si襯底擊穿場強(qiáng)為0.4MVcm1，貝VSiO2中場強(qiáng)在1.2MVQM1時，Si襯底就擊穿。所以，若擊穿發(fā)生在這個部位，則MOS管的擊穿和柵氧厚度具有強(qiáng)烈相關(guān)性。柵

5、氧厚度越薄，Si很容易達(dá)到雪崩擊穿點，從而造成MOS管擊穿。15逋1ELDD第鞫)MH爪跚現(xiàn)(I7S,IMA囲現(xiàn)12.5V-MR4lift*(XLIJD皓構(gòu)j怦誨-IW-IfiVO.Snm(仃LiDDJ)刪閥175A,20QAN畀擊環(huán)i-l.SV口少14JY所以，若柵氧較厚，則PN結(jié)（襯底區(qū)域）首先擊穿的幾率較大，若柵氧薄，則漏區(qū)LDD部位雪崩擊穿幾率較大。（2）B點（Ej）擊穿若在Ed沒有發(fā)生雪崩擊穿，一般在柵氧比較厚時是這樣的，這時在B點就發(fā)生擊穿，即PN結(jié)擊穿，根據(jù)源漏和襯底溶度關(guān)系，擊穿點一般發(fā)生在襯底。MOS管中存在A和B兩個峰值電場點，因此MOS管的擊穿電壓決定于這兩個區(qū)域的電場，

6、哪個區(qū)域電場首先達(dá)到臨界電場，則首先在該點擊穿，同時MOS管發(fā)生擊穿。（3）鳥嘴對A點擊穿的影響我們考察MOS管的另一種截面圖4,在MOS管的鳥嘴部位，這里缺陷和界面狀態(tài)較復(fù)雜，因此，A點擊穿部位首先發(fā)生在鳥嘴邊緣（圖中圓圈部分）。之所以首先發(fā)生在鳥嘴邊緣，這是因為：首先，由于場氧底部濃度較高，雜質(zhì)橫向擴(kuò)散，導(dǎo)致場氧邊緣濃度也比溝道中高。因此，場氧邊緣的耗盡區(qū)寬度比中間的要窄，容易出現(xiàn)結(jié)擊穿。如圖5所示。其次，場氧邊緣缺陷較多，局部損傷大。另外，鳥嘴處在B點擊穿的可能性要小，這是因為鳥嘴處柵氧較厚，因此，B點場強(qiáng)較小，較難達(dá)到臨界擊穿場強(qiáng)。但是，假如溝道中間的耗盡區(qū)展寬到和源端連接到一起，而鳥

7、嘴邊緣仍然沒有發(fā)生結(jié)擊穿，則源端的電子進(jìn)入溝道后被漏端收集加速，會形成很大的電流，造成溝道中間首先擊穿。這就是后面要討論的穿通擊穿現(xiàn)象。實際中我們發(fā)現(xiàn)，通過降低場注入劑量，使鳥嘴邊緣溶度較小時，管子的擊穿電壓得到提高，但是出于場開啟的考慮，一種既提高管子擊穿，又盡量提高場開啟的方法是，場注入不是自對準(zhǔn)注入，使場注入版和有源區(qū)邊緣有一定的距離，但是，這樣會降低芯片的集成度。溝道擊穿一般都發(fā)生在鳥嘴邊緣，但是實際發(fā)現(xiàn)，這種管子特別容易出現(xiàn)破壞性擊穿，即使擊穿測試時，電流限制在lA時，管子也經(jīng)常被燒毀，這種燒毀可能和電流主要在鳥嘴邊緣泄放，造成電流密度過大，或者鳥嘴邊緣缺陷等原因有關(guān)。2穿通擊穿類當(dāng)

8、溝道中濃度較低時，這時溝道容易耗盡，出現(xiàn)溝道穿通擊穿，穿通現(xiàn)象一般在長溝道器件中不容易出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在短溝道中。對于穿通擊穿，有以下一些特征：（1）穿通擊穿的擊穿點軟，擊穿過程中，電流有逐步增大的特征，這是因為耗盡層擴(kuò)展較寬，產(chǎn)生電流較大。另一方面，耗盡層展寬大容易發(fā)生DIBL效應(yīng)，使源襯底結(jié)正偏出現(xiàn)電流逐步增大的特征。（2）穿通擊穿的軟擊穿點發(fā)生在源漏的耗盡層相接時，此時源端的載流子注入到耗盡層中，被耗盡層中的電場加速達(dá)到漏端，因此，穿通擊穿的電流也有急劇增大點，這個電流的急劇增大和雪崩擊穿時電流急劇增大不同，這時的電流相當(dāng)于源襯底PN結(jié)正向?qū)〞r的電流，而雪崩擊穿時的電流主要為PN結(jié)反向擊

9、穿時的雪崩電流，如不作限流，雪崩擊穿的電流要大。（3）穿通擊穿一般不會出現(xiàn)破壞性擊穿。因為穿通擊穿場強(qiáng)沒有達(dá)到雪崩擊穿的場強(qiáng)，不會產(chǎn)生大量電子空穴對。（4）穿通擊穿一般發(fā)生在溝道體內(nèi)，溝道表面不容易發(fā)生穿通，這主要是由于溝道注入使表面濃度比濃度大造成，所以，對NMOS管一般都有防穿通注入。（5）一般的，鳥嘴邊緣的濃度比溝道中間濃度大，所以穿通擊穿一般發(fā)生在溝道中間。（6）多晶柵長度對穿通擊穿是有影響的，隨著柵長度增加，擊穿增大。而對雪崩擊穿，嚴(yán)格來說也有影響，但是沒有那么顯著。3MOS管的SNAPBACK效應(yīng)討論MOS管的擊穿，肯定回避不了MOS管的SNAPBACK效應(yīng)。對NMOS管，SNAP

10、BACK效應(yīng)一般比較明顯，PMOS管基本沒有這種現(xiàn)象。這和PMOS溝道中空穴比較難以形成熱載流子有關(guān)。由于熱載流子量小，PMOS管的寄生PNP難以觸發(fā)，SNAPBACK效應(yīng)就不明顯。發(fā)生SNAPBACK現(xiàn)象和MOS管中寄生的三極管導(dǎo)通有關(guān)，即MOS管源襯底結(jié)出現(xiàn)正偏情形。使MOS管源襯底結(jié)出現(xiàn)正偏主要是由襯底電流造成，由于熱載流子效應(yīng)，對于NMOS管，空穴電流使襯底電位上升，對PMOS管，襯底電流很小，所以PMOS管很少出現(xiàn)SNAPBACK現(xiàn)象，圖6顯示了NMOS管發(fā)生SNAPBACK的曲線。iholilVhold圖fiNMQS竹SNAPSACKn邸【Isecond由圖6可以看出，若保持器件上

11、電壓不變，SNAPBACK效應(yīng)很容易使器件或者電源燒毀，這是我們不希望的，但是，發(fā)生SNAPBACK時，PN結(jié)上的壓降降低，因此，相同電流下，PN結(jié)上的功耗降低，在許多保護(hù)結(jié)構(gòu)中又是我們希望的。由上面分析可以看出，對MOS管，SNAPBACK效應(yīng)是有關(guān)源襯底PN結(jié)出現(xiàn)正偏造成的，這里可以從兩個方面解釋PN結(jié)正偏現(xiàn)象。(1) DIBL效應(yīng)，由于漏端電壓增大，使源襯底端PN結(jié)正偏。(2) 由于漏電壓增大過程中，襯底電流增大，造成襯底電位升高，造成源襯底PN結(jié)正偏。因此，怎樣使管子容易SNAPBACK，以及在滿足使用條件下，怎么盡量降低維持電壓是很有意義的事情,因為管子發(fā)生SNAPBACK意味著管子

12、可以承受更大的電流。例如，減小管子長度、襯底浮置、增加襯底電阻等都容易使管子SNAPBACK。4MOS管的開啟擊穿現(xiàn)象實際中，我們發(fā)現(xiàn)，對NMOS管，管子工作在低于擊穿電壓的附近，在加一個相對較低的柵電壓時，或者在管子開啟的瞬間，管子很容易出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。這里我們對NMOS管輸出曲線進(jìn)行了分析，我們測試了0.8s工藝的兩種NMOS管,一種是W/L=20/1.0，一種是W/L=20/20。測試方法為：VS=VB=OV，當(dāng)VD=10V時，VG=O10VGSTEP=1V；當(dāng)VD=16V時，VG=0T6VGSTEP=1V，測試的輸出曲線如圖7所示。UI2CI10加電fi-VIXVIsiwn-rnd.lW

13、l-if5nJ.OOE'tWE40112utnn?iro襯也按也0l&VVG016V更L-2204D.lHIt-'tM)從圖7可以看出，對W/L20/1.0的管子，VD掃描電壓在10V、VG從2V開始出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，隨著柵壓增大，曲線逐漸變的平了起來，對W/L20/20的管子，則這種情況明顯緩和的多。因此，可以看出，這種開啟擊穿現(xiàn)象和管子長度有關(guān)?？梢杂袃煞N解釋來理解這種上翹現(xiàn)象：(1) 屬于SNAPBACK現(xiàn)象，但是測試的曲線和SNAPBACK曲線不符合，這是由于測試設(shè)備造成的，因為測試設(shè)備電壓掃描時不能減小，造成SNAPBACK情形看不出。(2) 可能和電流密度有關(guān)，對20/1.0的管子，電流是20/20管子的十倍。由圖7還可以看出，W/L=20/20的管子在VD掃描到16V才輕微出現(xiàn)類似現(xiàn)象，所以這種現(xiàn)象和DIBL效應(yīng)還有關(guān)系，對于短溝器件，源襯底勢壘容易漏端影響而導(dǎo)通，出現(xiàn)雙極電流增大，顯然，短溝道管子更加容易出現(xiàn)DIBL現(xiàn)象。顯然，出現(xiàn)圖7所示的輸出曲線的管子在10V工作電壓下是無法工作在放大區(qū)的，因為上翹會影響管子輸出的線性度，造成嚴(yán)重失真，對于20/20