第02章表面失效机理.docVIP

第二章 表面失效机理 1*半导体器件常见的失效模式和机理 失效机理是指引起器件失效的实质原因，即引起器件失效的物理或化学过程。半导体器件包括二极管/三极管/集成电路和可控硅器件等。由于它们在材料和工艺制造上差别较小，所以失效机理大致相同，只是因器件种类不同，对各种失效机理的灵敏度有所不同，即使MOS电路和大规模集成电路（LSI），除了少数特殊问题外，其基本失效机理大致相同。因为所有半导体器件都是由芯片。电极系统/封装系统等几大部分组成。并且制造工艺和所用材料十分类似，所以基本失效机理是一致的。常见的失效机理如表2-1所示。集成电路失效机理如表2-2所示。 2* SiO2---Si 系统中的电荷 由于SiO2的钝化作用，硅平面器件的稳定性和可靠性有了很大提高，但它并不是完美无缺的，仍然存在着很大的不稳定性。近几十年来，人们对SiO2---Si系统中引起的器件不稳定的原因进行了大量的研究，实验分析表明，SiO2—Si系统内存在四种电荷：固定电荷/界面态/可动正离子和电离陷阱。它们将严重地影响器件的可靠性和稳定性，这些电荷的分布如图2-1所示。 一．可动正离子 SiO2的可动正电荷是碱金属离子沾污，它们是钠离子/钾离子/锂离子等正电荷。其中最主要的是钠离子。因为钠离子不仅迁移率较大（比钾离子高一个数量级）而且钠离子在地球上含量最多（储量在化学元素中占第16位），而锂（Li）元素在半导体器件工艺中却很少遇到，因此可动电荷主要来源于钠离子沾污。器件生产中所用的材料/玻璃器皿/化学式剂/去离子水/石英管等，钨丝以及不锈钢镊子等都含有钠离子。例如每克硼硅玻璃中含有7*1020个钠离子。造成热生长SiO2中钠离子含量高的另一个原因是钠离子在SiO2中的扩散系数很大，它仅次于氢离子，比常用的杂质元素P/B/As大近万倍。因此可以说在硅平面工艺的各种热处理过程中，SiO2对于钠离子是“透明”的，在温度---偏压实验中（如高温电老化）钠离子能在SiO2中横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引起器件参数的不稳定，甚至失效。 在常规工艺生长的氧化层中存在着1012---1013个/cm2钠离子，在氧化膜生长过程中钠离子倾向于SiO2表面积累（此时对半导体器件性能影响较小），但在温度—偏压条件下，钠离子很快穿过SiO2并堆积到Si---SiO2界面附近，对半导体器件的影响增强，因此钠离子在氧化层中的分布几率呈现“U”形分布。 二．固定电荷 它是存在于氧化层中靠近Si—SiO2界面的25*10-10m范围内的正电荷。它起源于氧化过程引入的缺陷，由硅在氧化过程中硅界面氧化不完全，存在过量硅离子（即氧空位）而引起。硅在氧化过程中，SiO2的增厚是由O2或H2O扩散过已生成的SiO2层，在SiO2—Si界面处与原子反应生成新的SiO2所致。由于SiO2—Si界面附近的O2浓度很低这就造成了该处SiO2结构中的缺氧状态，即氧空位，如图2-2所示。 固定电荷的特征如下： 1．其表面密度是固定的不随外加偏压和硅表面势而变化。 2．二氧化硅层厚度/硅衬底掺杂类型及浓度对固定电荷无显著影响。 3．在相似的工艺条件下，固定电荷面密度随硅晶体取向而明显变化，并按（111）（110）（100）顺序递减，近似3：2：1，如表2-3所示。 4．热氧化过程的气氛/高低温退火气氛及氧化温度对固定电荷数值均有很大影响。主要取决于最后一道高温处理。 固定电荷的影响是使MOS结构的C—V曲线向负方向平移，而不改变其形状。使MOS管阈值电压VT增大，但不会影响其稳定性。 二．界面态（界面陷阱电荷） 界面陷阱过去曾称为“快表面态”，在电学性质上界面态可以是施主或受主，也可以是少数载流子的产生和复合中心。它起源于Si---SiO2界面结构缺陷和氧化感生缺陷，以及金属杂质和辐射等因素引起的其它缺陷。 Si---SiO2界面的硅原子悬挂键是一种主要的结构缺陷，这种悬挂键通过上述方式与硅表面层交换电子和空穴，因而调制了硅表面势，造成了器件参数的不稳定性。这种界面陷阱也可同时俘获一个电子和一个空穴而起复合中心作用，它导致了器件表面漏电流和1/f噪声的增大以及增大以及电流增益（跨导）的降低。 表2-1双极型器件和MOS器件常见失效机理 部位 失效机理 小功率管 大功率管 双极电路 MOS CMOS 可控硅 表面 （1）表面正电荷引起沟道漏电/Hfe下降 1 2 1 1 1 2 （2）表面吸附 1