栅氧击穿机理研究

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1、栅氧击穿机理研究徐政缪海滨郑若成(中国电子科技®W公司第58研究所，江苏无锡214035)摘耍：栅氧击穿不仅和栅氣质最相关，而IL受前工序的影响很人。本文介绍了影响栅氧击穿的因素，如PBL隔离和腐蚀、电祚结构。关键词：栅氣；击穿：多品缓冲隔离；能带屮阁分类号：TN386.4文献标识码：A1前言人们通常只从栅氧生长、栅氧前的清洗來提尚栅氧击穿，但足栅氧前工序的制造同样对栅氧击穿影响很大，而H.往往记决定性的，却容易被忽视。2栅氧市穿机理2.1SiO2击穿现象2.1.1Si02在施加尚场时会发生致命击穿，根裾击穿场强的大小可分成三种情形(1)击穿场强在8-12MV/cm称为木征击穿。发屯本征击

2、穿吋SiO2的无缺陷，在低场加长吋叫应力，发屯本征击穿Si02的的失效吋叫人致相同；(2)击穿场强＜1MV/cm，SiO2存在巨大缺陷，例如针孔。(3)击穿场强在2〜6MV/cm，正常工作条件下会发生击穿。2.1.2SiO2性能退化分为二阶段(1)栅屯流不断通过SiO2,SiO2的某些点形成屯流通道，SiO2性能缓慢P*降；(2)MOS电容通过缺陷通道放电，SiO2被市穿，栅极被气化，但足整个MOS电容仍可能继续T作。2.2SiO2本征击穿的物理模型2.2.1空穴产生和陷阱模型(holegenerationandtrap-pingmodel)该模艰汄为：山于FN(Fowler-Nordhe

3、im)隧道效应，宵许多高能电了注入到SiO2W依，这些电了在SiO2屮的电场作用K到达m极并获得-定动能，一些高能电子SiO2在中碰掩产生电子空穴对，同吋SiO2本身存在一些缺陷，如Si的悬挂键、杂质、微孔，这些区域成为吸附中心，空穴在这儿被俘获，这些区域占整个Si02的1E-6。随着正电荷在缺陷处的积累，隧道电流不断增加，当浆点的鉍化陷阱电萜密度Qot+达到临界位时，隧道电流突然增加发生击穿。热电了异致空穴产生行以下几种机理：①带带之间的碰撞电离：②陷阱辅助碰撞电离：③SiO2异带价带间的跃迁，后两种效应即使在低压下也会介明®的空穴产生。SiO2中的陷阱主要是空穴陷阱。电子在SiO2导带

4、中的移动很快，约20-40cm2/VS，它们被迅速扫出SiO2,空穴移动慢，约2E-5cm2/VS,容杨被缺陷俘获。SiO2中也存在屯子陷阱，典型的SiO2中冇1%的注入屯子被俘荻，似是，这些陷阱屯子分布在整个SiO2上而不象空穴集中在缺陷周围，因此它们对击穿没有贡献。在对SiO2施加应力下，SiO2屮的空穴流动可以通过两种方法直接观察：(1)对n沟MOSFET加正偏压，使FN隧道屯子注入SiO2,这样栅电流/8增人，同吋还可以测量到一个小的衬底空穴电流Ip。用Qbd來衡量由FN屯子产生的击穿，用qp來衡量空穴注入产生的击穿。栅电流密度较低吋，本征SiO2的Qbd足10coul/cm2附近

5、的一个常数，Qp是0.1coul/cm2附近的一个常数。(2)源漏加离压在漏端形成卨场，高场产生热电子，热电子撞汨产生电子空穴对。在保持栅压比漏压低时(Vds=10V，Vgs:1.5V>空穴注入SiO2导带并在SiO2屮的电场作用下h'd栅极漂移。Vds

6、时的电场小，W为陷阱轴助电离需要的场强比SiO2屮导带价带的跃迁需要的场强低。空穴陷阱和体内的氣空位及表而恳挂键冇关。qp与FN效应产生的栅电流密度无关，似是Qp(Qbd)随温度的升髙而降低。因为SiO2屮的热空穴是由栅极产中，空穴被陷阱俘获，这些陷阱是随机分布在Si02中的较弱的SkO键，其有较小的附挡势垒。空穴的俘获使SlOe网络结构发生变化，较弱的Si-0键变成姑挂键，造成这些区域的禁带宽度变小，电导增大，形成电路通道，导致SiO2击穿。室溫下，空穴紧靠势能就可以打破Si-0键。温度较低时，空穴没有足够的势能克服势垒，此时，在相同的栅电流密度下Qp变大。电子陷阱和H20在SiO2屮的

7、扩散冇关。T氣SiO2屮的负电荷是湿氧Si02屮的1/10,这表明SiO2屮的H强烈的影响着SiO2屮的电子陷阱的形成。部分H可通过商溢N:退火消除。Si-OH结构足屯子陷阱，氣空位和Si表而的悬挂键足空穴陷阱。N:返火可以降低屯子陷阱却会增加空穴陷阱。生产中通过加入少量杂质F或N来提高SiO2的质量。2.2.2电子晶格损伤模型(electronlatticedamagemodel)品格损伤模型认为：FN电子隧人SiO2