氧化层击穿原理.ppt
任娜-weekly-report-20121110氧化层击穿原理研究,Outline,1.氧化硅的结构和性质2.Si-SiO2系统3.氧化硅的击穿模型4.检测氧化硅质量的方法,1.氧化硅的结构和性质,（1）二氧化硅的结构二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构，基本单元是一个由Si-O原子组成的正四面体，硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于四个角顶，两个相邻的四面体通过一个桥键氧原子连接起来构成无规则排列的二维网络结构。无定形二氧化硅膜不同于石英晶体，石英晶体的结构可看成是由Si-O正四面体基本单元向三维空间不断延伸、周期重复排列的结果，其特点是“长程有序”。而二氧化硅从整体上看，原子的排列是混乱的，不规则的，即“长程无序”，但从局部看，原子的排列并非完全杂乱，而是有一定规则，即“短程有序”。,1.氧化硅的结构和性质,图1 Si-O组成的正四面体,图2 长程有序的石英晶体,1.氧化硅的结构和性质,在二氧化硅网络中，氧离子起着连接Si-O四面体的作用，并且存在着两种不同的状态桥键氧和非桥键氧。为两个硅原子所共有的氧离子称为桥键氧，只同一个硅原子相连接的氧离子称为非桥键氧。二氧化硅网络的强度与桥键氧和非桥键氧的比例有关。桥键氧越少，非桥键氧越多，则二氧化硅网络的结构越疏松。因为非桥键氧只有一个Si-O键，它还可以接受一个电子，以维持八个电子的外层稳定结构，因此每一个非桥键氧实际上就是一个陷阱。在氧化硅网络中也存在着两种硅离子，一种是外层电子结构稳定的硅离子，另一种是有一个键不饱和的硅离子。在载流子通过氧化硅的过程中，它们都起到了陷阱的作用。,1.氧化硅的结构和性质,（2）本征二氧化硅和非本征二氧化硅在理想的条件下，二氧化硅的生长过程中不存在任何杂质的沾污，在单晶硅表面将形成仅有硅和氧而无其它元素的本征二氧化硅薄膜，其二维网络结构如图1所示。然而实际上这种理想情况是不存在的，任何热氧化过程都存在不同程度的杂质沾污，这种带杂质的无定形二氧化硅称为非本征二氧化硅。二氧化硅中的杂质，如果是电中性的，则它只占据网络中孔洞的位置，对二氧化硅的电特性没有影响。如果杂质已被电离，则会显著的影响二氧化硅的电性能。而实验证明，二氧化硅中杂质绝大部分是被电离的，且多数以正离子的形式存在于网络中。,1.氧化硅的结构和性质,图3 本征二氧化硅 和非本征二氧化硅的二维网络,1.氧化硅的结构和性质,（3）网络形成剂和网络调节剂掺入的电离杂质，按其在二氧化硅网络中的位置和作用，可以分为两类：网络形成剂和网络调节剂。有少数杂质（如铝）两种作用都具备。在硅-氧四面体中可以取代硅原子并形成网络的一种杂质，称为网络形成剂，又称为替位式杂质。常见的网络形成剂有硼、磷、锑等正离子，它们的特点是离子半径与Si原子的半径相近或更小。,表1 二氧化硅中重要的杂质离子半径,1.氧化硅的结构和性质,在二氧化硅网络中，硅的化合价是4，配位数为（中心离子周围配位原子的数目）4，而网络形成剂的化合价与硅不同，配位数也不一样。当它们替代硅原子的位置后，其配位数也发生变化。例如硼（B3+）在B2O3中配位数为3，替代硅原子后B的配位数将由3变为4，结果造成二氧化硅中缺氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度减少，二氧化硅膜的强度增大。磷（P5+）掺入后，其配位数由5变为4，结果造成二氧化硅中剩氧状态，使网络中非桥键氧离子浓度增大，二氧化硅膜的强度减弱。,1.氧化硅的结构和性质,处于Si-O四面体网络空隙中孔洞位置的那一类杂质，称为网络调节剂，又称为间隙式杂质。最常见的网络调节剂有Na、K、Pb、Ca、Ba等正离子，其特点是离子半径较大。这类杂质多以氧化物的形式掺入二氧化硅膜，电离后，杂质正离子将占据网络空隙位置，而氧离子进入网络，使得在一个桥键氧处出现两个非桥键氧。例如Na2O的掺入反应为：由于非桥键氧浓度增大，二氧化硅网络中出现更多的孔洞，使结构强度减弱、熔点降低。而且这类杂质在外电场和温度的作用下，会在二氧化硅中运动，影响器件稳定性和可靠性。,1.氧化硅的结构和性质,SiO2层中的可动离子电荷主要就是指由于沾污而引入的钠、钾、氢等正离子，其中最主要的是Na离子。在未进行温度偏压（BT）处理前，Na+大多数集中在SiO2与金属界面靠近金属的陷阱内，对硅表面性质影响不大。在正BT处理后（温度一般为150200），这些Na+可以被激活而离开陷阱，在SiO2网络的孔洞之间向Si-SiO2界面运动，绝大多数集中在Si-SiO2界面在靠近硅一侧的SiO2层中，将在Si表面感应出负电荷，使双极型器件出现表面沟道或引起击穿电压的蠕变，使MOS器件的阈值电压不稳定。此外，还会导致SiO2的过早击穿，降低SiO2层的介电强度。而进行负BT处理，可把Na+离子驱至金属和SiO2界面。,2.Si-SiO2系统,理想状体下由扩散炉生长的氧化层的结构应该如图所示。在氧化硅内部和Si-SiO2界面没有扭曲的键或断键，也没有悬挂键，或者杂质离子。也就是没有陷阱和界面态。,图4 理想Si-SiO2系统,2.Si-SiO2系统,实际的Si-SiO2系统存在着硅悬挂键和氧悬挂键，在氧化硅体内和界面构成了陷阱和界面态。此外，还存在着杂质离子以及由于湿氧氧化和合金化工艺时引入的H原子或离子，这些陷阱会俘获通过氧化硅的载流子。,图5 实际的Si-SiO2系统,2.Si-SiO2系统,（1）Si悬挂键结构当硅悬挂键出现在Si/SiO2界面时，就是人们通常所说的界面态的来源。当硅悬挂键出现在通常所说的过渡层时，就是固定氧化物电荷的来源。因为硅的热氧化过程是由于过剩的氧原子向内运动形成的，在近于Si-SiO2界面的氧化物中必然存在着硅的过剩，等待着与氧进行反应，当氧化终止时，这些硅离子固定下来而产生正电荷。当然在氧化硅内部也存在着Si悬挂键结构。,图6 Si悬挂键结构,2.Si-SiO2系统,（2）Si-Si弱键和氧空位结构由于氧的缺位使SiO2的硅氧四面体中的硅与衬底硅相互作用，换种说法就是有悬挂键的硅原子与SiO2中的Si形成Si-Si弱键，从而使硅的禁带中出现局域的电子态，这也是界面态的一种。,图7 Si-Si弱键结构,2.Si-SiO2系统,（3）Si-O弱键结构由于表面硅原子与硅氧四面体中的氧原子相互作用距离拉长，硅与氧之间相互作用较弱而形成的结构。换种说法就是有悬挂键的硅原子与SiO2中的O形成了Si-O弱键，从而使硅的禁带中出现局域的电子态。,图8 Si-O弱键结构,2.Si-SiO2系统,（4）非桥键氧（氧悬挂键）结构（5）在界面和氧化硅内部的硅悬挂键上束缚着杂质原子结构，比如H、OH等。,图9 氧悬挂键结构,图10 硅悬挂键为杂质原子饱和,2.Si-SiO2系统,氧化硅内部的硅悬挂键和氧悬挂键实际上就是氧化硅中的陷阱，而界面处的硅悬挂键和Si-Si、Si-O弱键实际上就是界面陷阱。这些陷阱反应了氧化硅结构的损坏，而同时又具有俘获和释放载流子的性质，正是因为陷阱的这两个特性，使我们可以通过电学测试研究氧化硅结构的损伤。上面描述的这些物理结构即陷阱，在俘获了载流子后，它们与杂质离子一起形成了Si-SiO2系统的几种电荷，SiO2层中的可动离子电荷、固定氧化物电荷、界面陷阱电荷、氧化物陷阱电荷。另外，还有存在于SiO2层外表面的正负离子电荷。,2.Si-SiO2系统,图11 Si-SiO2系统中的电荷,3.氧化硅的击穿模型,（1）加在氧化硅上的电压Vox加在氧化硅上的电压Vox与我们测量得到的加在栅极上的电压Vg实际上是不一样的。栅压Vg除了有一部分降在氧化层上以外，还有一部分降在半导体的表面势s上，一部分用来补偿多晶硅和衬底单晶硅的功函数ms，此外，还有一部分用来抵消陷阱电荷的影响（这部分可忽略）。在初始状态下，也就是第一次给MOS电容施加电应力时，栅压Vg由三部分组成：当在半导体上施加外电场时，在半导体表面会感生屏蔽外电场的表面电荷层，表面电荷层根据外电场可分为：积累层、耗尽层和反型层三种。在产生可测量的F-N遂穿电流的情况下，可以认为半导体表面实际只存在积累层和反型层两种情况。且为简单起见，暂时忽略ms的影响。,3.氧化硅的击穿模型,（a）,（b）,（c）,（d）,3.氧化硅的击穿模型,（2）氧化硅中电子的遂穿以n+poly-SiO2-Si结构为例，硅与氧化硅之间形成的势垒高度b=3.25V，在一定栅压Vg下，当加在MOS电容氧化层上的电压Voxb时，电子穿过三角形势垒注入到SiO2的导带中，形成可测量的Fowler-Nordheim隧穿电流，Vox5nm，隧穿几率很小，直接隧穿电流可以忽略不计。,图13 F-N隧穿示意图和直接隧穿示意图,3.氧化硅的击穿模型,如果我们不考虑镜像力对势垒高度的影响，则电流密度与电场强度的关系可表示成其中，是与电极和电介质的功函数有关的常数。,3.氧化硅的击穿模型,（3）电子在氧化层中输运及陷阱的产生,由F-N隧穿注入的电子受氧化硅电场“加热”，获得高于氧化层导带底的动能。穿过氧化层时，电子与晶格发生碰撞并释放能量。每一级台阶对应于一次碰撞事件，或弹性或非弹性。能量释放时，可能造成Si-O键断裂，产生陷阱。,图14 电子在氧化层中的输运,3.氧化硅的击穿模型,当电场在513MV/cm时，电子到达阳极时的能量一般在49eV的范围内。所谓界面态和陷阱的产生，实际上是氧化硅的结构受到损坏后，在电学上的一种体现。高能电子破坏Si-O键可能有以下几种形式：如果将O用X代替，就可以表示杂质离子（X）与Si形成的键受到电子破坏的过程。,3.氧化硅的击穿模型,如果电子的能量大于Si-O的键能4.25eV，而且在与晶格碰撞后，释放的能量大于4.25eV，则按照上面的方程式会产生硅悬挂键或氧悬挂键。而硅悬挂键或氧悬挂键为了获得稳定的8个电子的外层结构，就可能俘获一个电子，表现出陷阱的行为。能量大于9eV的电子通过碰撞电离还可以激发电子-空穴对。如果是Si-X键，其键能一般小于Si-O键能，更容易受到电子的破坏。如果电子释放的能量不足以破坏Si-O键，释放的能量也可能使Si-O键受到扭曲，形成Si-O或Si-Si弱键。此外，氧化硅中还存在一些在加电学应力前已经存在的硅悬挂键、氧悬挂键、Si-O或Si-Si弱键，会被以后的电子碰撞所破坏。大量的电子在穿过氧化硅时，产生陷阱的行为是随机的，可以认为陷阱在氧化硅中的分布是随机的。,3.氧化硅的击穿模型,（4）空穴电流的产生电子到达阳极时将能量释放给界面的晶格，破坏Si-O键，产生界面态。部分电子将获得的能量释放给阳极界面一侧硅中价带的电子，使其激发到导带底，因此产生的“热”空穴在电场作用下又隧穿进入氧化层。（5）陷阱对载流子的俘获和释放在氧化硅中输运的电子和空穴被不断产生的陷阱和已有的陷阱俘获，形成陷阱电荷。而陷阱内的电子或空穴也可能被输运载流子碰撞而释放出来。,3.氧化硅的击穿模型,氧化硅中载流子的行为：1.电子从电子陷阱中隧穿到氧化硅的导带；2.电子从电子陷阱中隧穿到硅的导带；3.导带中的电子释放能量将电子陷阱中的电子激发至氧化硅的导带；4.电子在阳极界面释放能量，将一个电子从硅的价带激发至硅的导带，同时产生一个空穴；5.能量大于9eV的电子碰撞产生电子空穴对；6.电子释放能量破坏Si-H键，使H离子向阴极运动；,图15 载流子在氧化硅中的行为,3.氧化硅的击穿模型,7.电子被电子陷阱俘获；8.电子陷阱释放电子；9.空穴与电子陷阱中的电子复合；10.电子陷阱释放一个空穴；11.产生的空穴被空穴陷阱俘获；12.空穴陷阱释放一个空穴；13.电子与空穴陷阱中的空穴复合；14.空穴陷阱释放一个电子。,图15 载流子在氧化硅中的行为,3.氧化硅的击穿模型,（6）氧化硅的击穿电子在氧化硅中输运时会产生陷阱，对氧化硅的结构造成破坏。随着时间的延长，流过氧化层的电子数量不断增加，随机产生的陷阱不断增多，当两个陷阱彼此接触时，就会形成一个较大的陷阱。假设陷阱的半径为r，如果两个陷阱之间的距离小于2r，它们就碰在一起。如果由于随机产生的陷阱互相构成的大的缺陷形成了从一个界面到另一个界面的通道，此时氧化层电容放电击穿，导致不可回复的损坏。由于陷阱产生的随机性，在击穿时氧化硅上既可以只有一个地方击穿，也可以是许多地方击穿。,图16 SiO2击穿示意图,3.氧化硅的击穿模型,对于氧化硅来说，单位体积内Si-O键的密度是一定的，所以对于某一厚度的氧化硅来说，击穿前可以被破坏的Si-O键的数目是一定的，可以产生的陷阱密度是一定的，显然，氧化硅的强度与氧化硅的厚度有关。氧化硅的厚度越大，形成缺陷链所需要的陷阱数就越多，但是，厚度增大，电子在氧化硅中运动的距离越长，受到晶格碰撞的几率越高。所以氧化硅的寿命是上述两个过程竞争的结果。,3.氧化硅的击穿模型,（7）氧化硅击穿后的结构氧化硅击穿后在氧化硅内形成的通道，从能带的角度可以认为是在氧化硅中形成了一些子能带，根据陷阱产生的随机性，子能带在氧化硅禁带中的位置也是不确定的。不过只要形成子能带，那么与硅必然形成一定的势垒b。根据热电子发射电流的公式，在I-V曲线上应该表现为二极管的特性。,图17 击穿后的能带图,4.检测氧化硅质量的方法,（1）CV测量是测量电学性能是广泛使用的一种方法。利用高频CV、低频CV、准静态CV来测量MOS电容界面态密度及其能量谱以及氧化层中固定电荷和可动电荷面密度。（2）电荷泵法和深能级瞬态谱法也是研究氧化层界面态的常用方法。（3）与时间相关的电介质TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）,4.检测氧化硅质量的方法,TDDB是一种快速直观的方法，通过加速应力实验，使氧化层在短时间内失效，从而预测氧化硅在正常工作条件下的可靠性。加速的应力可以是温度也可以是电流或电压。这样可以在较短时间内通过对少量样片的高应力实验，推算出氧化硅在正常应力下的可靠性水平。TDDB测试大致可分为四种方式：恒电压、恒电流、斜坡电压、斜坡电流。测试参数包括击穿电场、击穿时间、击穿电量。击穿电场是指介质被击穿时施加在介质上的电场强度。击穿时间是指从施加电压到被击穿所需时间。击穿电量指导致氧化层被击穿时已通过的电量，与击穿时间有如下关系：,4.检测氧化硅质量的方法,（1）恒流TDDB测试,图18恒电流条件下电压随时间变化的关系。图中x轴为时间轴，（a）的取值范围是200s；（b）是50s。,4.检测氧化硅质量的方法,恒流TDDB模式下电压增大是由于陷阱俘获电子的缘故，假定陷阱俘获电子随机均匀，陷阱电荷密度n（t）与氧化硅电压Vox（t）的关系是：可推导出陷阱产生速率与V-t曲线斜率的关系：（2）恒压TDDB测试在恒压TDDB模式下，由于陷阱电荷会造成阴极电场减小，导致电流的减小。,
