氧化層擊穿原理【知識(shí)薈萃】

1、任娜-weekly-report-20121110氧化層擊穿原理研究,1,行業(yè)重點(diǎn),Outline,1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 2. Si-SiO2系統(tǒng) 3. 氧化硅的擊穿模型 4. 檢測(cè)氧化硅質(zhì)量的方法,2,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),（1）二氧化硅的結(jié)構(gòu) 二氧化硅薄膜具有無(wú)定形玻璃狀結(jié)構(gòu)，基本單元是一個(gè)由Si-O原子組成的正四面體，硅原子位于正四面體的中心，氧原子位于四個(gè)角頂，兩個(gè)相鄰的四面體通過(guò)一個(gè)橋鍵氧原子連接起來(lái)構(gòu)成無(wú)規(guī)則排列的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 無(wú)定形二氧化硅膜不同于石英晶體，石英晶體的結(jié)構(gòu)可看成是由Si-O正四面體基本單元向三維空間不斷延伸、周期重復(fù)排列的結(jié)果，其特點(diǎn)是“長(zhǎng)程有

2、序”。 而二氧化硅從整體上看，原子的排列是混亂的，不規(guī)則的，即“長(zhǎng)程無(wú)序”，但從局部看，原子的排列并非完全雜亂，而是有一定規(guī)則，即“短程有序”。,3,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),圖1 Si-O組成的正四面體,圖2 長(zhǎng)程有序的石英晶體,4,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中，氧離子起著連接Si-O四面體的作用，并且存在著兩種不同的狀態(tài)橋鍵氧和非橋鍵氧。 為兩個(gè)硅原子所共有的氧離子稱為橋鍵氧，只同一個(gè)硅原子相連接的氧離子稱為非橋鍵氧。 二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度與橋鍵氧和非橋鍵氧的比例有關(guān)。橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，則二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)越疏松。 因?yàn)榉菢蜴I氧只有一個(gè)Si-O鍵，它

3、還可以接受一個(gè)電子，以維持八個(gè)電子的外層穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此每一個(gè)非橋鍵氧實(shí)際上就是一個(gè)陷阱。 在氧化硅網(wǎng)絡(luò)中也存在著兩種硅離子，一種是外層電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅離子，另一種是有一個(gè)鍵不飽和的硅離子。在載流子通過(guò)氧化硅的過(guò)程中，它們都起到了陷阱的作用。,5,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),（2）本征二氧化硅和非本征二氧化硅 在理想的條件下，二氧化硅的生長(zhǎng)過(guò)程中不存在任何雜質(zhì)的沾污，在單晶硅表面將形成僅有硅和氧而無(wú)其它元素的本征二氧化硅薄膜，其二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 然而實(shí)際上這種理想情況是不存在的，任何熱氧化過(guò)程都存在不同程度的雜質(zhì)沾污，這種帶雜質(zhì)的無(wú)定形二氧化硅稱為非本征二氧化硅。 二氧化硅中的雜

4、質(zhì)，如果是電中性的，則它只占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中孔洞的位置，對(duì)二氧化硅的電特性沒(méi)有影響。如果雜質(zhì)已被電離，則會(huì)顯著的影響二氧化硅的電性能。而實(shí)驗(yàn)證明，二氧化硅中雜質(zhì)絕大部分是被電離的，且多數(shù)以正離子的形式存在于網(wǎng)絡(luò)中。,6,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),圖3 本征二氧化硅 和非本征二氧化硅的二維網(wǎng)絡(luò),7,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),（3）網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑 摻入的電離雜質(zhì)，按其在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中的位置和作用，可以分為兩類：網(wǎng)絡(luò)形成劑和網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑。有少數(shù)雜質(zhì)（如鋁）兩種作用都具備。 在硅-氧四面體中可以取代硅原子并形成網(wǎng)絡(luò)的一種雜質(zhì)，稱為網(wǎng)絡(luò)形成劑，又稱為替位式雜質(zhì)。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)形成劑有硼、磷

5、、銻等正離子，它們的特點(diǎn)是離子半徑與Si原子的半徑相近或更小。,表1 二氧化硅中重要的雜質(zhì)離子半徑,8,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中，硅的化合價(jià)是4，配位數(shù)為（中心離子周?chē)湮辉拥臄?shù)目）4，而網(wǎng)絡(luò)形成劑的化合價(jià)與硅不同，配位數(shù)也不一樣。當(dāng)它們替代硅原子的位置后，其配位數(shù)也發(fā)生變化。 例如硼（B3+）在B2O3中配位數(shù)為3，替代硅原子后B的配位數(shù)將由3變?yōu)?，結(jié)果造成二氧化硅中缺氧狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)中非橋鍵氧離子濃度減少，二氧化硅膜的強(qiáng)度增大。 磷（P5+）摻入后，其配位數(shù)由5變?yōu)?，結(jié)果造成二氧化硅中剩氧狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)中非橋鍵氧離子濃度增大，二氧化硅膜的強(qiáng)度減弱。,9,行業(yè)重

6、點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),處于Si-O四面體網(wǎng)絡(luò)空隙中孔洞位置的那一類雜質(zhì)，稱為網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑，又稱為間隙式雜質(zhì)。最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑有Na、K、Pb、Ca、Ba等正離子，其特點(diǎn)是離子半徑較大。這類雜質(zhì)多以氧化物的形式摻入二氧化硅膜，電離后，雜質(zhì)正離子將占據(jù)網(wǎng)絡(luò)空隙位置，而氧離子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，使得在一個(gè)橋鍵氧處出現(xiàn)兩個(gè)非橋鍵氧。例如Na2O的摻入反應(yīng)為： 由于非橋鍵氧濃度增大，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)更多的孔洞，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱、熔點(diǎn)降低。而且這類雜質(zhì)在外電場(chǎng)和溫度的作用下，會(huì)在二氧化硅中運(yùn)動(dòng)，影響器件穩(wěn)定性和可靠性。,10,行業(yè)重點(diǎn),1. 氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),SiO2層中的可動(dòng)離子電荷主要就是指由于沾污而

7、引入的鈉、鉀、氫等正離子，其中最主要的是Na離子。 在未進(jìn)行溫度偏壓（BT）處理前， Na+大多數(shù)集中在SiO2與金屬界面靠近金屬的陷阱內(nèi)，對(duì)硅表面性質(zhì)影響不大。 在正BT處理后（溫度一般為150200），這些Na+可以被激活而離開(kāi)陷阱，在SiO2網(wǎng)絡(luò)的孔洞之間向Si-SiO2界面運(yùn)動(dòng)，絕大多數(shù)集中在Si- SiO2界面在靠近硅一側(cè)的SiO2層中，將在Si表面感應(yīng)出負(fù)電荷，使雙極型器件出現(xiàn)表面溝道或引起擊穿電壓的蠕變，使MOS器件的閾值電壓不穩(wěn)定。此外，還會(huì)導(dǎo)致SiO2的過(guò)早擊穿，降低SiO2層的介電強(qiáng)度。 而進(jìn)行負(fù)BT處理，可把Na+離子驅(qū)至金屬和SiO2界面。,11,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-

8、SiO2系統(tǒng),理想狀體下由擴(kuò)散爐生長(zhǎng)的氧化層的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如圖所示。在氧化硅內(nèi)部和Si-SiO2界面沒(méi)有扭曲的鍵或斷鍵，也沒(méi)有懸掛鍵，或者雜質(zhì)離子。也就是沒(méi)有陷阱和界面態(tài)。,圖4 理想Si-SiO2系統(tǒng),12,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),實(shí)際的Si-SiO2系統(tǒng)存在著硅懸掛鍵和氧懸掛鍵，在氧化硅體內(nèi)和界面構(gòu)成了陷阱和界面態(tài)。此外，還存在著雜質(zhì)離子以及由于濕氧氧化和合金化工藝時(shí)引入的H原子或離子，這些陷阱會(huì)俘獲通過(guò)氧化硅的載流子。,圖5 實(shí)際的Si-SiO2系統(tǒng),13,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),（1）Si懸掛鍵結(jié)構(gòu) 當(dāng)硅懸掛鍵出現(xiàn)在Si/SiO2界面時(shí)，就是人們通常所說(shuō)的界面態(tài)的來(lái)

9、源。當(dāng)硅懸掛鍵出現(xiàn)在通常所說(shuō)的過(guò)渡層時(shí)，就是固定氧化物電荷的來(lái)源。因?yàn)楣璧臒嵫趸^(guò)程是由于過(guò)剩的氧原子向內(nèi)運(yùn)動(dòng)形成的，在近于Si-SiO2界面的氧化物中必然存在著硅的過(guò)剩，等待著與氧進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)氧化終止時(shí)，這些硅離子固定下來(lái)而產(chǎn)生正電荷。當(dāng)然在氧化硅內(nèi)部也存在著Si懸掛鍵結(jié)構(gòu)。,圖6 Si懸掛鍵結(jié)構(gòu),14,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),（2）Si-Si弱鍵和氧空位結(jié)構(gòu) 由于氧的缺位使SiO2的硅氧四面體中的硅與襯底硅相互作用，換種說(shuō)法就是有懸掛鍵的硅原子與SiO2中的Si形成Si-Si弱鍵，從而使硅的禁帶中出現(xiàn)局域的電子態(tài)，這也是界面態(tài)的一種。,圖7 Si-Si弱鍵結(jié)構(gòu),15,行業(yè)重點(diǎn),

10、2. Si-SiO2系統(tǒng),（3）Si-O弱鍵結(jié)構(gòu) 由于表面硅原子與硅氧四面體中的氧原子相互作用距離拉長(zhǎng)，硅與氧之間相互作用較弱而形成的結(jié)構(gòu)。換種說(shuō)法就是有懸掛鍵的硅原子與SiO2中的O形成了Si-O弱鍵，從而使硅的禁帶中出現(xiàn)局域的電子態(tài)。,圖8 Si-O弱鍵結(jié)構(gòu),16,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),（4）非橋鍵氧（氧懸掛鍵）結(jié)構(gòu) （5）在界面和氧化硅內(nèi)部的硅懸掛鍵上束縛著雜質(zhì)原子結(jié)構(gòu)，比如H、OH等。,圖9 氧懸掛鍵結(jié)構(gòu),圖10 硅懸掛鍵為雜質(zhì)原子飽和,17,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),氧化硅內(nèi)部的硅懸掛鍵和氧懸掛鍵實(shí)際上就是氧化硅中的陷阱，而界面處的硅懸掛鍵和Si-Si、Si-

11、O弱鍵實(shí)際上就是界面陷阱。 這些陷阱反應(yīng)了氧化硅結(jié)構(gòu)的損壞，而同時(shí)又具有俘獲和釋放載流子的性質(zhì)，正是因?yàn)橄葳宓倪@兩個(gè)特性，使我們可以通過(guò)電學(xué)測(cè)試研究氧化硅結(jié)構(gòu)的損傷。 上面描述的這些物理結(jié)構(gòu)即陷阱，在俘獲了載流子后，它們與雜質(zhì)離子一起形成了Si-SiO2系統(tǒng)的幾種電荷，SiO2層中的可動(dòng)離子電荷、固定氧化物電荷、界面陷阱電荷、氧化物陷阱電荷。另外，還有存在于SiO2層外表面的正負(fù)離子電荷。,18,行業(yè)重點(diǎn),2. Si-SiO2系統(tǒng),圖11 Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷,19,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（1）加在氧化硅上的電壓Vox 加在氧化硅上的電壓Vox與我們測(cè)量得到的加在柵極上的電壓

12、Vg實(shí)際上是不一樣的。柵壓Vg除了有一部分降在氧化層上以外，還有一部分降在半導(dǎo)體的表面勢(shì)s上，一部分用來(lái)補(bǔ)償多晶硅和襯底單晶硅的功函數(shù)ms，此外，還有一部分用來(lái)抵消陷阱電荷的影響（這部分可忽略）。 在初始狀態(tài)下，也就是第一次給MOS電容施加電應(yīng)力時(shí)，柵壓Vg由三部分組成： 當(dāng)在半導(dǎo)體上施加外電場(chǎng)時(shí)，在半導(dǎo)體表面會(huì)感生屏蔽外電場(chǎng)的表面電荷層，表面電荷層根據(jù)外電場(chǎng)可分為：積累層、耗盡層和反型層三種。在產(chǎn)生可測(cè)量的F-N遂穿電流的情況下，可以認(rèn)為半導(dǎo)體表面實(shí)際只存在積累層和反型層兩種情況。且為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，暫時(shí)忽略ms的影響。,20,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（a）,（b）,（c）,（d）,21

13、,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（2）氧化硅中電子的遂穿 以n+poly-SiO2-Si結(jié)構(gòu)為例，硅與氧化硅之間形成的勢(shì)壘高度b=3.25V，在一定柵壓Vg下，當(dāng)加在MOS電容氧化層上的電壓Voxb時(shí)，電子穿過(guò)三角形勢(shì)壘注入到SiO2的導(dǎo)帶中，形成可測(cè)量的Fowler-Nordheim隧穿電流， Vox5nm，隧穿幾率很小，直接隧穿電流可以忽略不計(jì)。,圖13 F-N隧穿示意圖和直接隧穿示意圖,22,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,如果我們不考慮鏡像力對(duì)勢(shì)壘高度的影響，則電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系可表示成 其中， 是與電極和電介質(zhì)的功函數(shù)有 關(guān)的常數(shù)。,23,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型

14、,（3）電子在氧化層中輸運(yùn)及陷阱的產(chǎn)生,由F-N隧穿注入的電子受氧化硅電場(chǎng)“加熱”，獲得高于氧化層導(dǎo)帶底的動(dòng)能。穿過(guò)氧化層時(shí)，電子與晶格發(fā)生碰撞并釋放能量。每一級(jí)臺(tái)階對(duì)應(yīng)于一次碰撞事件，或彈性或非彈性。能量釋放時(shí)，可能造成Si-O鍵斷裂，產(chǎn)生陷阱。,圖14 電子在氧化層中的輸運(yùn),24,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,當(dāng)電場(chǎng)在513MV/cm時(shí)，電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)的能量一般在49eV的范圍內(nèi)。所謂界面態(tài)和陷阱的產(chǎn)生，實(shí)際上是氧化硅的結(jié)構(gòu)受到損壞后，在電學(xué)上的一種體現(xiàn)。高能電子破壞Si-O鍵可能有以下幾種形式： 如果將O用X代替，就可以表示雜質(zhì)離子（X）與Si形成的鍵受到電子破壞的過(guò)程。,25,行業(yè)

15、重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,如果電子的能量大于Si-O的鍵能4.25eV，而且在與晶格碰撞后，釋放的能量大于4.25eV，則按照上面的方程式會(huì)產(chǎn)生硅懸掛鍵或氧懸掛鍵。而硅懸掛鍵或氧懸掛鍵為了獲得穩(wěn)定的8個(gè)電子的外層結(jié)構(gòu)，就可能俘獲一個(gè)電子，表現(xiàn)出陷阱的行為。能量大于9eV的電子通過(guò)碰撞電離還可以激發(fā)電子-空穴對(duì)。如果是Si-X鍵，其鍵能一般小于Si-O鍵能，更容易受到電子的破壞。 如果電子釋放的能量不足以破壞Si-O鍵，釋放的能量也可能使Si-O鍵受到扭曲，形成Si-O或Si-Si弱鍵。此外，氧化硅中還存在一些在加電學(xué)應(yīng)力前已經(jīng)存在的硅懸掛鍵、氧懸掛鍵、Si-O或Si-Si弱鍵，會(huì)被以后的電

16、子碰撞所破壞。大量的電子在穿過(guò)氧化硅時(shí)，產(chǎn)生陷阱的行為是隨機(jī)的，可以認(rèn)為陷阱在氧化硅中的分布是隨機(jī)的。,26,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（4）空穴電流的產(chǎn)生 電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)將能量釋放給界面的晶格，破壞Si-O鍵，產(chǎn)生界面態(tài)。部分電子將獲得的能量釋放給陽(yáng)極界面一側(cè)硅中價(jià)帶的電子，使其激發(fā)到導(dǎo)帶底，因此產(chǎn)生的“熱”空穴在電場(chǎng)作用下又隧穿進(jìn)入氧化層。 （5）陷阱對(duì)載流子的俘獲和釋放 在氧化硅中輸運(yùn)的電子和空穴被不斷產(chǎn)生的陷阱和已有的陷阱俘獲，形成陷阱電荷。而陷阱內(nèi)的電子或空穴也可能被輸運(yùn)載流子碰撞而釋放出來(lái)。,27,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,氧化硅中載流子的行為： 1. 電子從電子陷

17、阱中隧穿到氧化硅的導(dǎo)帶； 2. 電子從電子陷阱中隧穿到硅的導(dǎo)帶； 3.導(dǎo)帶中的電子釋放能量將電子陷阱中的電子激發(fā)至氧化硅的導(dǎo)帶； 4. 電子在陽(yáng)極界面釋放能量，將一個(gè)電子從硅的價(jià)帶激發(fā)至硅的導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴； 5. 能量大于9eV的電子碰撞產(chǎn)生電子空穴對(duì)； 6. 電子釋放能量破壞Si-H鍵，使H離子向陰極運(yùn)動(dòng)；,圖15 載流子在氧化硅中的行為,28,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,7. 電子被電子陷阱俘獲； 8. 電子陷阱釋放電子； 9. 空穴與電子陷阱中的電子復(fù)合； 10. 電子陷阱釋放一個(gè)空穴； 11. 產(chǎn)生的空穴被空穴陷阱俘獲； 12. 空穴陷阱釋放一個(gè)空穴； 13. 電子與空穴

18、陷阱中的空穴復(fù)合； 14. 空穴陷阱釋放一個(gè)電子。,圖15 載流子在氧化硅中的行為,29,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（6）氧化硅的擊穿 電子在氧化硅中輸運(yùn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生陷阱，對(duì)氧化硅的結(jié)構(gòu)造成破壞。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，流過(guò)氧化層的電子數(shù)量不斷增加，隨機(jī)產(chǎn)生的陷阱不斷增多，當(dāng)兩個(gè)陷阱彼此接觸時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)較大的陷阱。假設(shè)陷阱的半徑為r，如果兩個(gè)陷阱之間的距離小于2r，它們就碰在一起。如果由于隨機(jī)產(chǎn)生的陷阱互相構(gòu)成的大的缺陷形成了從一個(gè)界面到另一個(gè)界面的通道，此時(shí)氧化層電容放電擊穿，導(dǎo)致不可回復(fù)的損壞。由于陷阱產(chǎn)生的隨機(jī)性，在擊穿時(shí)氧化硅上既可以只有一個(gè)地方擊穿，也可以是許多地方擊穿。,圖16 S

19、iO2擊穿示意圖,30,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,對(duì)于氧化硅來(lái)說(shuō)，單位體積內(nèi)Si-O鍵的密度是一定的，所以對(duì)于某一厚度的氧化硅來(lái)說(shuō)，擊穿前可以被破壞的Si-O鍵的數(shù)目是一定的，可以產(chǎn)生的陷阱密度是一定的，顯然，氧化硅的強(qiáng)度與氧化硅的厚度有關(guān)。氧化硅的厚度越大，形成缺陷鏈所需要的陷阱數(shù)就越多，但是，厚度增大，電子在氧化硅中運(yùn)動(dòng)的距離越長(zhǎng)，受到晶格碰撞的幾率越高。所以氧化硅的壽命是上述兩個(gè)過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。,31,行業(yè)重點(diǎn),3. 氧化硅的擊穿模型,（7）氧化硅擊穿后的結(jié)構(gòu) 氧化硅擊穿后在氧化硅內(nèi)形成的通道，從能帶的角度可以認(rèn)為是在氧化硅中形成了一些子能帶，根據(jù)陷阱產(chǎn)生的隨機(jī)性，子能帶在氧化硅禁帶中的位置也是不確定的。不過(guò)只要形成子能帶，那么與硅必然形成一定的勢(shì)壘b。根據(jù)熱電子發(fā)射電流的公式，在I-V曲線上應(yīng)該表現(xiàn)為二極管的特性。,圖17 擊穿后的能帶圖,32,行業(yè)重點(diǎn),4. 檢測(cè)氧化硅質(zhì)量的方法,（1）CV測(cè)量是測(cè)量電學(xué)性能是廣泛使用的一種方法。利用高頻CV、低頻CV、準(zhǔn)靜態(tài)CV來(lái)測(cè)量MOS電容界面