栅氧击穿机理研究

栅氧击穿机理研究

徐政 缪海滨 郑若成

(中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035)

摘要：栅氧击穿不仅和栅氧质量相关，而且受前工序的影响很大。本文介绍了影响栅氧击穿的因素，如PBL隔离和腐蚀、电容结构。 关键词：栅氧；击穿；多晶缓冲隔离；能带 中图分类号：TN386．4 文献标识码：A 1前言

人们通常只从栅氧生长、栅氧前的清洗来提高栅氧击穿，但是栅氧前工序的制造同样对栅氧击穿影响很大，而且往往是决定性的，却容易被忽视。 2栅氧击穿机理 2．1 SiO2击穿现象

2．1．1 Si02在施加高场时会发生致命击穿，根据击穿场强的大小可分成三种情形

(1)击穿场强在8-12MV／cm称为本征击穿。

发生本征击穿时SiO2的无缺陷，在低场加长时间应力，发生本征击穿Si02的的失效时间大致相同；

(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。 2．1．2 SiO2性能退化分为二阶段

(1)栅电流不断通过SiO2，SiO2的某些点形成电流通道，SiO2性能缓慢下降；

(2)MOS电容通过缺陷通道放电，SiO2被击穿，栅极被气化，但是整个MOS电容仍可能继续工作。 2．2 SiO2本征击穿的物理模型

2．2．1空穴产生和陷阱模型(hole generation and trap-ping model)

该模型认为：由于FN(Fowler-Nordheim)隧道效应，有许多高能电子注入到SiO2导带，这些电子在SiO2中的电场作用下到达阳极并获得一定动能，一些高能电子SiO2在中碰撞产生电子空穴对，同时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，当某点的氧化陷阱电荷密度Qot+达到临界值时，隧道电流突然增加发生击穿。

热电子导致空穴产生有以下几种机理：①带带之间的碰撞电离；②陷阱辅助碰撞电离；③SiO2导带价带间的跃迁，后两种效应即使在低

压下也会有明显的空穴产生。

SiO2中的陷阱主要是空穴陷阱。电子在SiO2导带中的移动很快，约20-40cm2／VS，它们被迅速扫出SiO2，空穴移动慢，约2E-5cm2／VS，容易被缺陷俘获。SiO2中也存在电子陷阱，典型的SiO2中有1％的注入电子被俘获，但是，这些陷阱电子分布在整个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中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隧道电子注入SiO2，这样栅电流／8增大，同时还可以测量到一个小的衬底空穴电流Ip。用Qbd来衡量由FN电子产生的击穿，用qp来衡量空穴注入产生的击穿。栅电流密度较低时，本征SiO2的Qbd是10coul／cm2附近的一个常数，Qp是0．1coul／cm2附近的一个常数。

(2)源漏加高压在漏端形成高场，高场产生热电子，热电子撞击产生电子空穴对。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中的电场作用下向栅极漂移。Vds

SiO2击穿时的电场比产生带带碰撞电离时的电场小，因为陷阱辅助电离需要的场强比SiO2中导带价带的跃迁需要的场强低。空穴陷阱和体内的氧空位及表面悬挂键有关。qp与FN效应产生的栅电流密度无关，但是Qp(Qbd)随温度的升高而降低。因为SiO2中的热空穴是由栅极产生，空穴被陷阱俘获，这些陷阱是随机分布在Si02中的较弱的Si-O键，具有较小的阻挡势垒。空穴的俘获使SlOe网络结构发生变化，较弱的Si-O键变成悬挂键，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。室温下，空穴紧靠势能就可以打破Si-O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中的扩散有关。干氧SiO2中的负电荷是湿氧Si02中的1／10，这表明SiO2中的H强烈的影响着SiO2中的电子陷阱的形成。部分H可通过高温N：退火消除。Si-OH结构是电子陷阱，氧空位和Si表面的悬挂键是空穴陷阱。N：退火可以降低电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(electron lattice damagemodel)

晶格损伤模型认为：FN电子隧人SiO2导带，被SiO2中电场加速，在到达阳极时具有最大能量，能量在阳极附近释放形成原子型缺陷，如Si-O键的打破。这些缺陷带正电，可以吸收新的注入电子。遵循这种机理，缺陷在SiO2中长大，从阳极往阴极形成通路。开始是大量的小缺陷，其中最大的缺陷生长最快。它们也横向长出枝干，很象一棵树。在通路完全形成后，电容通过这条通路放电，将SiO2击穿。熔化的POLY面积约20μm2，占整个MOS电容0．02mm2很小部分。电容放电的能量密度可以大于1E5J／cm3。

FN注入电流密度较低时，Qbd的平均值是常数，随着温度升高Qbd有明显降低。

SiO2本征击穿的关键参数是Qbd。注入电流密度Jinj较低时Qbd是常数，它随Jinj的增大而减小。 2．3 SiO2的B模式失效物理机理

亚微米CMOST作时加在SiO2上的电场强度处在B模式失效区间(场强在2~6MV／cm)。例如：Tox=12．5nm，Vgs=5V，Eox=4MV／cm。它是由于SiO2的缺陷降低了可靠性。B模式失效有以下几种方式： 2．3．1 SiO2中的钠离子沾污

Na+在电场作用下向阴极漂移，并在阴极附近积聚，增加了阴极电场和电子注入，直至SiO2破裂。Na+的来源是高温钨丝，高温下Na+扩散通过石英管壁到达氧化气氛。定期用HCl／TCA+O2清洁炉管几个小时或使用双层炉管可以降低Na+沾污。 2．3．2衬底金属沾污

氧化过程中如果Si表面存在A1、Fe、Ca会显著降低SiO2性能。原始材料(重金属沉淀在Si中)或工艺(溅射、注人工艺所用的夹具、机械臂；氧化扩散工艺的灯丝加热，化学试剂、DIW被金属沾污)都可以引入金属沾污。在化学试剂或DIW中加入EDTA可以去除Ca、A1。 2．3．3表面微起伏

对于10nm的栅氧厚度，要求栅氧前Si表面的roughneSS <5A,通过AFM (atomic force microscopy)观察。常规RCA清洗，NH4OH：H2O2：H2O=l：1：5有明显的roughness。如果降低NH40H浓度，将浓度改为0．05：1：5或0．25：1：5，则产生的roughness可以忽略。Roughness降低了SiO2的击穿电压，氧化后在1000~1050℃退火可以提高SiO2击穿。 2．3．4局部SiO2变薄

由以下原因造成SiO：生长时有颗粒埋在SiO2中；KOOI效应；应力降低了氧化速率。栅变薄问题在场氧边缘尤其严重。用HF去除牺牲氧化层时会有残留物质在Si表面，造成Si／SiO2界面不平坦。使用超纯HF可以提高SiO2的击穿性能。使用双层SiO2(一层热氧化一层淀积)可以减轻SiO2局部变薄问题； 2．3．5 衬底材料O含量过高

CZ法生长的单晶含有O。这些体缺陷降低了栅氧完整性。通过高温处理释放溶解在Si中的O或使用外延片来解决O含量过高问题。 2．4 本征SiO2击穿的测试结构 2．4．1 常规的MOS电容测试结构

POLY不仅覆盖了有源区，而且覆盖到场区边缘。在使用PBL或SWAMI隔离时，栅氧边缘的减薄可达30％。为了避免这个问题，POLY不能接触到场区边缘，而且在POLY后一步氧化以减小鸟嘴给栅氧带来的减薄效应，以便得到真实SiO2的本征击穿结果。 2.4.2 POLY腐蚀给栅边缘带来的损伤

腐蚀POLY栅时，会在栅周围的Si衬底上留下微槽(microtrenchL微槽的形成原因是入射到POLY侧壁上的离子反射轰击侧壁周围的SiO2，直至Si衬底暴露形成微槽。可以通过在POLY腐蚀后再淀积一层POLY，并腐蚀形成POLY spacer将微槽覆盖。这就考虑了微槽的影响。需要调整栅腐蚀工艺使这种损伤最 3 实验 3．1工艺流程

PAD氧化→非晶淀积→SIN淀积→有源区光刻→SiN腐蚀→场氧→PBL腐蚀→白带氧化→漂SiO2→栅氧→多晶淀积→多晶光刻→多晶腐蚀→注入渗杂→钝化→合金→测试 3．2实验结果及结果分析

测试时，要求衬底处于积累状态。 3．2．1 不同电容结构结果比较(如图1)

NN：N型多晶／N型衬底 NP：N型多晶／P型衬底 PN：P型多晶／N型衬底 PP：P型多晶／P型衬底 Qbd：PP

(1)对于PP结构，P型多晶栅发射电子导带之间的势垒4．3eV，要达到测试电流密度lnA／μm2，需要比跨越Si导带和SiO2导带之间的势垒3．2eV更高的场强，造成首先击穿。

(2)自建电势起到减小或加强外加电压的作用。

(3)隧道电流产生和电子密度相关，这表现在由栅极发射电子还是衬底发射电子的不同结果上。假如降低NP结构的栅掺杂浓度或者提高NN结构的衬底浓度，Qbd测试会有相反的结果。

3．2．2 多晶覆盖场区OVL和多晶不覆盖场SPC结果比较(如图2)

前文讲过，测试SiO2本征击穿时多晶不能覆盖场区，但是工艺制造中多晶必须跨过场氧，因此工艺中要考虑如何减小隔离工艺对栅工艺的影响。虽然栅氧前加一步白带氧化来去除场氧时NH3对有源区Si衬底的腐蚀，但是从图2可以看出，多晶覆盖场区OVL要比多晶不覆盖场区SPC的结果差很多。因此，仅靠使用牺牲氧化是不够的，必须同时控制PBL腐蚀工艺，避免在有源区留下小坑。场氧时，H2O与Si3N4反应生成NH3，NH3从场区边缘扩散到达Si衬底，和Si反应生成SiON，集中在有源区边缘1 μm附近，显微镜下呈现白色，称为白带。使用PBL隔离工艺可以有效的减小鸟嘴长度，但是要想得到高质量的有源区衬底，工艺上控制比较困难。

PBL腐蚀后的有源区(如图3)

从图3可以看出，有源区边缘有许多小孔，这是造成Qbd失效率高的原因。

PBL结构中使用alpha-Si作为Si3N4和Si02的夹层。从图4中可以看出alpha-Si比p01y的结果好。alpha-Si在较低的温度下淀积，晶粒小，poly淀积温度高，晶粒大，但是在场氧的高温下alpha-Si的晶粒生长迅速，从许多细小晶粒结合成大晶粒，在Si3N4应力下向外膨胀，可以减小鸟嘴长度，poly晶粒大小受温度影响小，在Si3N4的应力下容易损伤PAD氧化层，生成较多的小孔，造成Qbd降低。 4结束语

仅靠提高栅氧化层质量是不能保证栅氧击穿的，在目前工艺条件下，PBL腐蚀对栅氧击穿的影响更大。对于不同电容结构Qbd结果差异的解释，文中提出了自己的观点，欢迎指正。

PBL结构中使用alpha-Si作为Si3N4和Si02的夹层。从图4中可以看出alpha-Si比p01y的结果好。alpha-Si在较低的温度下淀积，晶粒小，poly淀积温度高，晶粒大，但是在场氧的高温下alpha-Si的晶粒生长迅速，从许多细小晶粒结合成大晶粒，在Si3N4应力下向外膨胀，可以减小鸟嘴长度，poly晶粒大小受温度影响小，在Si3N4的应力下容易损伤PAD氧化层，生成较多的小孔，造成Qbd降低。 4结束语

仅靠提高栅氧化层质量是不能保证栅氧击穿的，在目前工艺条件下，PBL腐蚀对栅氧击穿的影响更大。对于不同电容结构Qbd结果差异的解释，文中提出了自己的观点，欢迎指正。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ivh.html