MOS器件可靠性

MOS器件可靠性北京大学微电子研究院北京大学微电子研究院内容提要主要的问题和研究未来的研究简介MOS器件可靠性研究背景；研究内容；研究方法氧化层击穿深亚微米MOS器件特性退化SOC技术中存在的可靠性问题TDDBHotCarrier北京大学微电子研究院简介研究背景研究内容MOS器件可靠性对象：生产、使用过程中，器件电学性能的退化现象重要性：器件尺寸和电压不等比例下降电场增大新材料、器件结构的采用增强器件退化High-K栅材料、SOI、SOC生产、使用过程中缺陷的产生机制缺陷对器件性能的影响关系器件特性的退化规律－－器件寿命北京大学微电子研究院研究方法加速应力实验工作条件下器件退化时间很长（通常10年）利用高应力条件(高温、高电压)，加速器件退化从高压应力向工作条件外推出器件退化情况(器件寿命)退化表征方法退化电学参数的提取＝阈值电压漂移、饱和漏电流改变应力产生缺陷的测量＝CV、电荷泵、DCIV、GIDL等(氧化层陷阱、界面态)缺陷产生模型和寿命预测模型北京大学微电子研究院用户可靠性测量、测试退化实验特性测量分析表征技术特征参数统计分析物理分析结论失效规律失效机理寿命、特性退化规律等半导体可靠性评估系统样品北京大学微电子研究院栅氧化层相关可靠性问题的根源氧化层减薄导致氧化层电场的增加器件沟道长度减小引起的Si横向电场的增加功耗加剧了器件工作温度研究背景北京大学微电子研究院北京大学微电子研究院加速应力实验（电应力和温度应力）面积、失效率变换电压、温度变换JEDEC标准：10年@10mm2，125°C，失效0.1％寿命预测模型研究方法北京大学微电子研究院JEDECstandard••General,WaferLevel,ProductLevel•Bipolar,Diode,PowerDevice,Memoryetc,•Teststructure,procedure,criteria,projectionmodelJP001.01FOUNDRYPROCESSQUALIFICATIONGUIDELINES(WaferFabricationManufacturingSites)JEP128GUIDEFORSTANDARDPROBEPADSIZESANDLAYOUTSFORWAFERLEVELELECTRICALTESTING:北京大学微电子研究院JEDECstandardJC-14.2WaferLevelReliabilityJESD90APROCEDUREFORMEASURINGP-CHANNELMOSFETNEGATIVEBIASTEMPERATUREINSTABILITIESJESD35-APROCEDUREFORWAFER-LEVEL-TESTINGOFTHINDIELECTRICS:JESD60AAPROCEDUREFORMEASURINGP-CHANNELMOSFETHOT-CARRIER-INDUCEDDEGRADATIONATMAXIMUMGATECURRENTUNDERDCSTRESS:JESD28-AAPROCEDUREFORMEASURINGN-CHANNELMOSFETHOT-CARRIER-INDUCEDDEGRADATIONUNDERDCSTRESS:北京大学微电子研究院JEDECstandardJC-13.4RadiationHardnessJESD57TESTPROCEDUREFORTHEMANAGEMENTOFSINGLE-EVENTEFFECTSINSEMICONDUCTORDEVICESFROMHEAVYIONIRRADIATION:JESD89AMEASUREMENTANDREPORTINGOFALPHAPARTICLEANDTERRESTRIALCOSMICRAYINDUCEDSOFTERRORSINSEMICONDUCTORDEVICES:北京大学微电子研究院JEDECstandardJC-14.1Rel.TestMeth.Pkg.Dev.JEP113-BSYMBOLANDLABELSFORMOISTURE-SENSITIVEDEVICES:JEP122CFAILUREMECHANISMSANDMODELSFORSILICONSEMICONDUCTORDEVICES:J-STD-020CJOINTIPC/JEDECSTANDARDFORMOISTURE/REFLOWSENSITIVITYCLASSIFICATIONFORNONHERMETICSOLIDSTATESURFACE-MOUNTDEVICES:J-STD-033BJOINTIPC/JEDECSTANDARDFORHANDLING,PACKING,SHIPPINGANDUSEOFMOISTURE/REFLOWSENSITIVESURFACE-MOUNTDEVICES:JEP108-BDISTRIBUTORREQUIREMENTSFORHANDLINGELECTROSTATIC-DISCHARGESENSITIVE(ESDS)DEVICES:SUPERSEDEDBYJESD42,March1994.JP002CURRENTTINWHISKERSTHEORYANDMITIGATIONPRACTICESGUIDELINEJESD22-A100-BCYCLEDTEMPERATUREHUMIDITYBIASLIFETEST:JESD22-A101-BSTEADY-STATETEMPERATUREHUMIDITYBIASLIFETEST:JESD22-A102-CACCELERATEDMOISTURERESISTANCE-UNBIASEDAUTOCLAVE:JESD22-A103CHIGHTEMPERATURESTORAGELIFE:JESD22-A104CTEMPERATURECYCLING:JESD22-A106BTHERMALSHOCK:JESD22-A107BSALTATMOSPHERE:JESD22-A109-AHERMETICITY:JESD22-A110-BHIGHLYACCELERATEDTEMPERATUREANDHUMIDITYSTRESSTEST(HAST)JESD22-A112-AMOISTURE-INDUCEDSTRESSSENSITIVITYFORPLASTICSURFACEMOUNTDEVICES-SUPERSEDEDBYJ-STD-020A,April1999.北京大学微电子研究院GateOxideIntegrityExtrinsicandIntrinsicQ&A北京大学微电子研究院氧化层击穿类型0102030405060123456789101112BreakdownField(MV/cm)BreakdownPercentage(%)A类B类C类A类：明显损伤；针孔B类：缺陷点；玷污原因：材料缺陷；工艺波动(清洗、氧化和光刻)；机械应力；后氧化(等离子体破坏)等非本征击穿C类：占大部分比例，相对集中表征击穿北京大学微电子研究院非本征击穿：成品率•制造过程中–化学试剂的纯度–吸真空–高温退火•制备后续工作–筛选/预加电北京大学微电子研究院GateOxideIntegrityV-Ramp（Linear）DefectsatlowerelectricfieldJ-Ramp（Exponential）FinesegregationofhighfieldbreakdownsMuchlesstimethanV-RampSmallareateststructuresBoundedJ-RampAveryrepeatableQbdmeasurement北京大学微电子研究院V-RampDiagramAbsoluteCurrentlevelOxidecurrentchangeslope北京大学微电子研究院J-RampDiagram0.85-0.9北京大学微电子研究院BoundedJ-RampDiagram0.85-0.9IFix北京大学微电子研究院TestStructure•Areadependent•STI-edgeintensive•Poly-edgeIntensive北京大学微电子研究院TypicalData北京大学微电子研究院超薄栅氧化层击穿Timedependentdielectricbreakdown(TDDB)简介缺陷产生的物理模型氧化层击穿标准寿命预测BreakdownofUltra-thinoxide北京大学微电子研究院超薄栅氧化层击穿简介缺陷产生击穿机制栅电压高能载流子类氢物质释放氧化层缺陷介质击穿•直接隧穿(3V)•FN隧穿(3V)•5V氢释放•~6V阳极空穴注入•电子、空穴和中性陷阱•界面陷阱•栅电流(压)的突然增大硬、软击穿PgincreasingVgNBDdefectdensityinjectedcharge(Qin)关键缺陷密度NBD缺陷产生率Pg•依赖于VgcriticaldefectdensityforbreakdownBreakdownofUltra-thinoxide北京大学微电子研究院硬击穿大电流释放的能量引起栅氧化层的破裂;器件无法正常工作软击穿表现为电流、电压的突然增加，或者电流噪声的增加器件还可以正常工作通常的击穿模式(Tox5nm)应力电压比较低更适用于实际深亚微米器件工作条件BreakdownofUltra-thinoxide超薄栅氧化层击穿简介对深亚微米器件，击穿通道更可能出现在栅和源、漏交叠区域北京大学微电子研究院测试方法电容两端加应力影响因素：面积；厚度；温度击穿的物理过程氧化层中形成导电通道高电流密度导致栅介质高温熔断统计方法：威布尔分布BreakdownofUltra-thinoxide超薄栅氧化层击穿简介物理模型；外推关系击穿的表征方法物理模型和寿命预测寿命北京大学微电子研究院超薄栅氧化层击穿测试方法BreakdownofUltra-thinoxideMOS等效为电容；两端加应力测量电学参量随时间的变化电应力(电压、电流等)北京大学微电子研究院应力条件－恒定电流应力(CCS)－恒定电压应力(CVS)－脉冲电压应力(PVS)－扫描应力北京大学微电子研究院测量步骤北京大学微电子研究院超薄栅氧化层击穿测试方法BreakdownofUltra-thinoxide应力条件：恒压应力（CVS）、恒流应力（CCS）IgCVStimet(bd)VgCCStimet(bd)北京大学微电子研究院(a)沟道注入(b)栅注入(c)衬底热载流子注入氧化层击穿应力模式北京大学微电子研究院氧化层击穿应力模式衬底热载流子注入能带图北京大学微电子研究院氧化层击穿电学特性栅漏电流随应力时间变化CathodeAnodeSiO2StressInducedleakageCurrent(SILC)SoftBreakdown(SB)HardBreakdown(HB)北京大学微电子研究院氧化层击穿电学特性栅漏电流随应力时间变化•SILC(StressInducedLeakageCurrent)•SB(SoftBreakdown)•HB(HardBreakdown)01234567Vg(V)Jg(A/cm²)10-1210-1010-910-810-710-610-11freshSILCSBHB北京大学微电子研究院氧化层击穿电学特性软击穿依然可以引起器件漏电流显著下降北京大学微电子研究院超薄栅氧化层击穿表征方法BreakdownofUltra-thinoxide0123456-3-2-101n-MOSFETs:Tox=7.0nmVg=6.8VVg=6.9VVg=7.0VVg=7.1VVg=7.2VVg=7.3Vln(-ln(1-F(t)))Time威布尔分布图威布尔分布的累积分布函数和分别为威布尔分布的形状参数和位置参数，为特征寿命或真尺度参数(63%)*exp1)(tttF*)ln()ln())1ln(ln(