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微电子器件与IC的可靠性与失效分析一一（三）MOSFET栅氧
化层的性能退化
2010-08-19 15:42:21| 分类： 微电子电路|标签：可靠性 失效率 栅氧化层 mos ic |字号 订阅
作者：Xie M. X. （UESTC，成都市）
影响MOS器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和 工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、 热、机械等的应力和水汽等的侵入等。
从器件和工艺方面来考虑，影响 MOS集成电路可靠性的主要因素有三个： 一是栅极氧
化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。
MOSFET的栅极二氧化硅薄膜是决定器件性能的关键性材料。因为二氧化硅薄膜具有 良好的绝缘性，同时它与 Si表面接触的表面态密度又很低，所以最常用作为栅绝缘层。
栅氧化层一般是采用热氧化来制备的，良好氧化层的漏电流基本上为 0，并且具有较高
的击穿电场强度（击穿电场强度约为10MV/cm ）。但是，实际上发现，在器件和电路工作时， 有时会发生由于栅氧化层的漏电、 并导致击穿而引起的失效；产生这种后果的根本原因就是
氧化层在电压作用下性能发生了退化。
（1）栅氧化层性能退化的表现〜击穿：
在栅极电压作用下，栅氧化层发生性能退化的主要表现就是击穿。 这里存在两种类型的
击穿：一是 瞬时击穿（TZDB , Tims Zero Dielectic Breakdown ）,即是加上电压后就马上发 生的击穿 短路；二是经时击穿（TDDB , Tims Dependent Dielectic Breakdown ）即是
加上电压后需要经过一段时间之后才发生的击穿。
MOSFET和MOS-IC的早期失效往往就包括有栅氧化层的 TZDB现象。
TDDB的产生与栅氧化层中的电场（〜栅电压）有关。实验表明，按照引起击穿电场的 大小，可以把TDDB区分为三种不同的模式：①模式 A〜在较低电场（1MV/cm ）时就产生
的击穿；②模式 B〜在较高电场（数 MV/cm ）时产生的击穿；③模式 C〜在很高电场 （＞8MV/cm ）时才可能产生的击穿。
TDDB的模式A往往是由于氧化层中存在针孔等缺陷的缘故，具有这种模式的早期击 穿的芯片，一般都可通过出厂前的筛选而淘汰掉，故模式 A击穿将直接影响到芯片的成品
率。由于氧化层中的针孔等缺陷主要是来自于材料和环境的污染、 微粒之类的杂质，所以提
高材料和工艺的纯净度对于降低出现模式 A的几率、增高成品率具有重要的意义。
TDDB的模式B往往是由于氧化层中存在微量的 Na、K等碱金属和Fe、Ni等重金属
杂质的缘故，这些杂质离子在较高电场作用下会发生移动， 并且起着陷阱能级的作用。 因此,
为了提高模式B的击穿，也必须严格保证材料和工艺的纯净度，此外还必须注意晶体表面 缺陷吸附重金属杂质所产生的不良影响（则需要关注衬底的结晶控制技术） 。
TDDB的模式C击穿电压很高，接近二氧化硅的固有击穿特性，这是由于氧化层中不 存在杂质和缺陷的缘故。
（2） MOSFET栅氧化层退化的寿命评估：
对于带有经时击穿模式 B的不良芯片，需要经过较长时间的试验才能检测出来，因此 必须事先确立器件寿命的检测和评估方法。
为了保证集成电