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《栅氧化层介质经时击穿的逾渗模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第52卷第8期2003年8月物理学报Vol.52,No.8,August,2003100023290P2003P52(08)P2046206ACTAPHYSICASINICAn2003Chin.Phys.Soc.3栅氧化层介质经时击穿的逾渗模型马仲发庄奕琪杜磊包军林李伟华(西安电子科技大学微电子研究所,西安710071)(2002年8月7日收到;2002年12月13日收到修改稿)在研究了MOSFET栅氧化层介质经时击穿物理机制的基础上,提出了氧化层击穿的逾渗模型.认为氧化层的击穿是E′心和氧空位等深能级缺陷产生与积累,并最终形成电
2、导逾渗通路的结果.指出在电场作用下,氧化层中产生深能级缺陷,缺陷形成定域态,定域态的体积与外加电场有关.随着应力时间的增长,氧化层中的缺陷浓度增大,定域态之间的距离缩小.当定域态之间的距离缩小到一个阈值时,定域态之间通过相互交叠形成逾渗通路,形成扩展态能级,漏电流开始急剧增大,氧化层击穿.关键词:栅氧化层,TDDB,逾渗,模型PACC:7360H,7220J,7155,0500的总俘获空穴电荷量一定.根据两种模型,分别推导11引言出氧化层寿命与电场强度的两种关系式.E模型薄栅氧化层的可靠性是MOS集成电路最重要Q1ln(TF)∝-
3、γEox.(2)[1,2]k的可靠性问题之一.通过改进工艺、原材料,以及BT采用小面积样品,尽量减小针孔等随机缺陷,使栅1PE模型氧化层的击穿场强达到了11MVPcm的本征击穿场Q2ln(TF)∝-G(1PEox).(3)强.在超薄SiO2层中,击穿场强可高达1614—30kBTMVPcm[3,4].但介质经时击穿(TDDB)问题,却变得越(2),(3)式中γ和G分别为两种模型中的电场加速来越重要了.有关氧化层TDDB问题的研究很多,其因子,Q1和Q2是两个过程的激活能.以上两种模中最受重视的是氧化层的TDDB寿命.在20世纪70
4、型,均能在一定电场强度范围内较好拟合实验数据,年代后期,根据实验数据,有人提出了关于栅氧化层即E模型在低电场强度(不高于9MVPcm)范围与[5—7]TDDB寿命拓展的经验公式TDDB实验数据拟合较好,而1PE模型在高电场强3ΔH0度(高于9MVPcm)范围与TDDB实验数据拟合较ln(TF)∝-γEox,(1)kBT好.但两个模型都不能在整个电场强度范围对TD23式中TF为中期寿命,ΔH0为栅氧化层TDDB激活DB实验数据进行很好的拟合.因此这两种模型之争焓,T为温度,kB为玻尔兹曼常数,γ为电场加速因一直在持续.到目前为止,关
5、于栅氧化层TDDB过程子,Eox为氧化层电场强度.中,哪种缺陷是主导缺陷?缺陷的产生和累积规律针对上述经验公式,曾经提出了多种理论模型.如何?以及氧化层击穿是如何触发的?这些问题一最具代表性的就有两种模型.一种建立在偶极子与直还没有定论.[8]根据逾渗理论,我们认为氧化层击穿过程中,氧电场作用基础上的是E模型,认为氧化层的退化[8]与击穿实际上是电场作用的结果,由缺陷的产生空位和E′心才是主导缺陷,它们在SiO2禁带中形[10]和积累决定.另一种模型是建立在电子Fowler2成定域态,定域态的体积与外加电场有关,外加[9]Nord
6、heim隧穿注入基础上的1PE模型,认为氧化电场越大,定域态体积也越大.随着应力时间的增层击穿是由空间电荷积累造成的,并认为击穿所需长,氧化层中的缺陷浓度增大,相邻定域态之间的平3国家自然科学基金(批准号:69671003)资助的课题.8期马仲发等:栅氧化层介质经时击穿的逾渗模型2047均距离缩小.当相邻定域态之间的距离缩小到一个阈值时,定域态之间通过相互交叠形成逾渗通路,在SiO2禁带形成扩展态能级,这时电子通过该扩展态能级导电,栅氧化层漏电流开始急剧增大,氧化层表现为击穿.21栅氧化层TDDB的逾渗模型2111缺陷的产生机理图
7、3电场作用下,Si—Si断键反应过程示意图图1所示是SiO2的基本结构单元.其中,O—EoxSi—O键平均配位数为4,键强度大,键角始终保持2Si—O—SiZSi—O—O—Si+Si—Si,(4)T在109°.两个相邻四面体的角上形成的Si—O—SiEox·+OSi—SiOZOSiSiO.(5)键平均配位数为2,键强度较弱,键角在120°到180°T之间变化[11],自由态键角为144°.电场作用下,SiO(4)式的反应产生氧空位,它的激活能为233ΔH=ΔH0-aEox,(6)中将发生多种反应,在氧化层中产生多种缺陷.按其3所处
8、位置可以分为界面陷阱和氧化层体陷阱.而后式中ΔH0为无电场下的激活能,a为有效电偶极者则又可按其在禁带中的位置,分为浅能级陷阱和矩.研究表明,SiO2中应变的Si—O键起空穴陷阱的深能级陷阱.在氧化层的退化过程中,对击穿有重要作用,可以俘获氧化层中
