抗輻射SOI器件柵氧可靠性研究

吳建偉，謝儒彬，顧 祥，劉國(guó)柱

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

絕緣體上硅（SOI，Silicon-on-Insulator）技術(shù)是在傳統(tǒng)硅襯底表面下引入一層絕緣層，通常是SiO2。SOI技術(shù)作為一種全介質(zhì)隔離技術(shù)，有著許多體硅技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，相對(duì)于體硅工藝，SOI技術(shù)具有集成度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。由于SOI CMOS電路實(shí)現(xiàn)了完全的介質(zhì)隔離，PN結(jié)面積小，因此，SOI電路在抗單粒子事件、瞬時(shí)輻射等方面有著突出優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)高于體硅CMOS電路[2,3]。但是，由于在SOI CMOS電路中埋氧層的存在，使得SOI CMOS電路在抗總劑量方面反而不如體硅有優(yōu)勢(shì)，輻射會(huì)在隱埋氧化層中產(chǎn)生電流，同時(shí)還會(huì)形成埋氧化層-硅界面陷阱，因此，SOI器件的抗總劑量輻射能力比體硅要差。為了提高SOI電路的抗總劑量輻射能力，采用抗總劑量加固技術(shù)[4]，對(duì)SOI材料中的SiO2埋層進(jìn)行加固，實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)加固后的SOI器件抗總劑量輻射能力可以達(dá)到1 M rad（Si）[5]。

電路的可靠性是研究與生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，隨著器件尺寸的不斷減小，相關(guān)可靠性方面的問(wèn)題愈顯突出，抗輻射可靠性僅是針對(duì)抗輻射電路的一個(gè)比較重要的因素，與此同時(shí)，柵氧質(zhì)量也是集成電路研究中值得關(guān)注的問(wèn)題[6,7]。目前的研究大部分針對(duì)體硅器件的柵氧可靠性，對(duì)于SOI器件的柵氧可靠性問(wèn)題研究并不全面，特別是抗總劑量輻射埋氧加固工藝對(duì)器件柵氧可靠性的影響這一問(wèn)題，研究的并不深入。因此，有必要針對(duì)抗總劑量輻射埋氧加固SOI器件的柵氧可靠性做詳細(xì)的研究。

2 實(shí)驗(yàn)

介質(zhì)按照擊穿時(shí)的情況，通?？煞譃樗矔r(shí)擊穿與經(jīng)時(shí)擊穿[8]。瞬時(shí)擊穿是指電壓一加上去，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)該介質(zhì)材料所能承受的臨界場(chǎng)強(qiáng)，介質(zhì)中產(chǎn)生的大電流使得介質(zhì)瞬間擊穿，又稱為本征擊穿。在實(shí)際柵氧化層中，某些局部位置厚度較薄，從而導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，或者介質(zhì)內(nèi)存在空洞、裂縫等瑕疵，進(jìn)而造成介質(zhì)漏電甚至擊穿。這些由缺陷引起的柵氧問(wèn)題可在前期老化篩選過(guò)程中剔除；經(jīng)時(shí)擊穿是指施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，不會(huì)引起介質(zhì)的瞬時(shí)擊穿，但是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后則會(huì)發(fā)生擊穿，這是由于電場(chǎng)應(yīng)力的作用下，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并積累了大量缺陷，從而導(dǎo)致了柵氧擊穿，這是考核柵氧質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

柵氧層經(jīng)時(shí)擊穿的過(guò)程可以大致分為兩個(gè)階段，第一階段是在電場(chǎng)應(yīng)力作用下，柵氧層內(nèi)部及SiO2-Si界面處發(fā)生缺陷積累，積累的缺陷達(dá)到一定程度后，使局部區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值，進(jìn)而轉(zhuǎn)入第二階段；第二階段是在熱、電正反饋?zhàn)饔孟?，迅速使得柵氧層擊穿?/p>

對(duì)于電場(chǎng)應(yīng)力作用下柵氧層及界面處產(chǎn)生的陷阱，一般都認(rèn)為是由電荷引起的，但具體的模型尚無(wú)定論。雖然到目前為止己經(jīng)有很多研究柵氧可靠性和退化機(jī)理的模型被提出，并且在一定的條件下得到了很好的實(shí)際驗(yàn)證，但是依然沒(méi)能非常完美地解釋各種器件特性退化的過(guò)程，目前最有影響的是空穴注入擊穿模型[9,10]和電子陷阱產(chǎn)生擊穿模型[11,12]。

2.1 樣品制備

為了更好地研究柵氧層的質(zhì)量，在PCM測(cè)試版圖中設(shè)計(jì)了專門用于柵氧質(zhì)量評(píng)估的結(jié)構(gòu)，它是由P-well、柵氧、多晶硅所組成的柵氧電容結(jié)構(gòu)，如圖1所示，電容面積為75 μm×700 μm。

圖1 柵氧測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

本文所使用的材料片為SOI襯底材料片，材料片參數(shù)如下：P<100>10-20Ω，Top-Si（頂層硅）=235±10 nm，BOX（埋層二氧化硅）=375±10 nm。然后，運(yùn)用離子注入技術(shù)對(duì)埋層二氧化硅進(jìn)行加固注入。

制備柵氧測(cè)試結(jié)構(gòu)的流程為（如圖2）：（1）一次氧化和一次氮化硅工藝（SiN），光刻有源區(qū)，腐蝕氮化硅后，定義形成場(chǎng)區(qū)；（2）場(chǎng)氧化形成FOX場(chǎng)氧區(qū)域，去掉氮化硅材料，進(jìn)行離子注入形成P阱，形成電容測(cè)試結(jié)構(gòu)下電極；（3）生長(zhǎng)12.5 nm柵氧層，多晶硅淀積、多晶硅摻雜形成重?fù)诫s多晶硅，通過(guò)多晶硅光刻、腐蝕形成多晶硅柵，作為電容測(cè)試結(jié)構(gòu)的上電極，淀積LP SiO2350 nm，通過(guò)各向異性腐蝕形成側(cè)墻；（4）通過(guò)離子注入工藝形成重?fù)诫s區(qū)，用于電學(xué)連接，完成PMD（金屬前介質(zhì)淀積）和接觸孔光刻、腐蝕，形成用于連接重?fù)诫s區(qū)和金屬布線的接觸孔；（5）最后淀積金屬，并進(jìn)行金屬光刻、腐蝕后，形成金屬布線層，合金后完成多晶硅柵和P-well區(qū)域的連接，形成完整的柵氧電容測(cè)試結(jié)構(gòu)，以下的測(cè)試結(jié)果將基于此結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)與分析

運(yùn)用上述方法制備的柵氧測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)其評(píng)估柵氧質(zhì)量。測(cè)試的方法是在柵氧電容的上極板加應(yīng)力，測(cè)量電學(xué)參量隨時(shí)間的變化。應(yīng)力條件的施加有多種方法，如：恒定電流應(yīng)力（CCS）、恒定電壓應(yīng)力（CVS）、脈沖電壓應(yīng)力（PVS）、掃描應(yīng)力，這里采用的是恒定電壓應(yīng)力法。用恒定電壓法測(cè)試柵氧電容結(jié)構(gòu)TDDB的流程如圖3所示。

（1）在設(shè)定應(yīng)力溫度下，將一些初始化即失效的樣品篩選出來(lái)；（2）保持應(yīng)力溫度，升到設(shè)定應(yīng)力電壓下，開(kāi)始恒定電壓測(cè)試；（3）持續(xù)偵測(cè)柵氧漏電流；（4）判斷器件失效有否，如果暫沒(méi)有失效則持續(xù)3、4步驟；（5）判斷失效或達(dá)到預(yù)設(shè)上限時(shí)間則進(jìn)入后測(cè)試階段，目的是檢查并判斷失效模式；（6）數(shù)據(jù)輸出，記錄失效時(shí)間t，完成本次測(cè)試。

通過(guò)以上測(cè)試方法，對(duì)采用了抗總劑量輻射加固工藝的柵氧電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行TDDB測(cè)試，記錄失效時(shí)間。根據(jù)JEDEC/FSA Joint Publication No.001的要求，選用測(cè)試溫度為125 ℃，評(píng)估柵氧電容在高溫下的壽命。

圖4是對(duì)柵氧電容施加不同恒定電壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果。從圖上可以看出，當(dāng)樣品施加恒定電壓應(yīng)力時(shí)，隨著時(shí)間的增加，Ig緩慢下降。當(dāng)達(dá)到某一臨界值的時(shí)候，Ig突然上升，樣品擊穿。在測(cè)試過(guò)程中并沒(méi)有觀測(cè)到Ig出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象，說(shuō)明在持續(xù)應(yīng)力下，柵氧中不斷有陷阱產(chǎn)生。產(chǎn)生的新陷阱會(huì)不斷俘獲電荷，從而導(dǎo)致注入柵氧化層的電流隨時(shí)間而改變。對(duì)于不同的柵電壓Vg，隨著Vg的增加，擊穿時(shí)間Tbd減小。上述現(xiàn)象說(shuō)明，柵氧的擊穿包含了兩個(gè)階段，即形成積累階段和突變階段。

為了更好地研究抗總劑量輻射加固技術(shù)對(duì)柵氧質(zhì)量的影響，同時(shí)對(duì)未使用加固工藝的SOI材料片與體硅片做了柵氧可靠性評(píng)估，測(cè)試方法如前所述，測(cè)試環(huán)境同樣是維持在125 ℃，根據(jù)材料片的不同選取相應(yīng)的應(yīng)力條件。對(duì)測(cè)試所得的失效時(shí)間采用Weibull分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取63.2%作為分布的中心值，做出累積失效概率圖，如圖5所示。

取63.2%的值作為評(píng)估柵氧壽命的擊穿時(shí)間，將柵氧的擊穿時(shí)間和電場(chǎng)應(yīng)力強(qiáng)度做散點(diǎn)圖，采用指數(shù)模型進(jìn)行擬合，柵氧的擊穿時(shí)間與電場(chǎng)應(yīng)力強(qiáng)度之間呈指數(shù)線性關(guān)系，如圖6所示。通過(guò)模型倒推柵氧在5.5 V工作，即電場(chǎng)應(yīng)力在4.4 MV·cm-1的情況下的工作時(shí)間，最終得出，加固工藝樣品柵氧壽命為14.65年，未加固SOI工藝樣品柵氧壽命為20.62年，體硅樣品柵氧壽命為355年，均大于10年的壽命時(shí)間。

從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，體硅樣品的柵氧壽命遠(yuǎn)大于SOI樣品的柵氧壽命，結(jié)合柵氧失效機(jī)理，可以認(rèn)為這是由于在SOI材料片的制備過(guò)程中，頂層硅膜受到損傷，引入了更多缺陷造成了最終柵氧質(zhì)量的下降。目前國(guó)內(nèi)SOI材料片的制備主要有以下幾種主流的技術(shù)：離子注入注氧隔離技術(shù)（SIMOX）、鍵合減薄技術(shù)（BESOI）、注氫智能剝離技術(shù)（Smart-Cut）和外延層轉(zhuǎn)移技術(shù)（ELTRAN）。其中SIMOX主要采用的方法就是在普通圓片層間注入氧離子，經(jīng)超過(guò)1 300 ℃高溫退火后形成隔離層，注入過(guò)程中，會(huì)在圓片內(nèi)形成氧化物沉淀，同時(shí)也會(huì)對(duì)圓片造成一定的損壞，隨后高溫退火形成二氧化硅絕緣層。盡管之后的高溫退火能夠一定程度的修復(fù)圓片，但是這兩個(gè)過(guò)程不可避免的還是會(huì)對(duì)頂層硅膜的質(zhì)量造成損傷，最終導(dǎo)致形成的柵氧層中存在較多的缺陷，從而加速了柵氧化層的擊穿，使得柵氧壽命變短。

我們又對(duì)三組樣品的柵氧電容擊穿電壓做了比較，如圖7。從圖上發(fā)現(xiàn)，體硅樣品的柵氧擊穿直到9 V的時(shí)候才出現(xiàn)漏電，而另外兩個(gè)SOI樣品的柵氧擊穿在7 V的時(shí)候就出現(xiàn)漏電。因此認(rèn)為，SOI樣品存在較大的由應(yīng)力導(dǎo)致的漏電SILC。

關(guān)于應(yīng)力導(dǎo)致的漏電問(wèn)題，目前已經(jīng)提出了幾種機(jī)制進(jìn)行解釋[13～15]。Dumin和Rico認(rèn)為高壓應(yīng)力下，氧化層內(nèi)部和界面將會(huì)有陷阱產(chǎn)生，陷阱的存在成為過(guò)渡能級(jí)。電子從陰極導(dǎo)帶隧穿入陷阱能級(jí)，進(jìn)而又從該陷阱能級(jí)隧穿到陽(yáng)極導(dǎo)帶，陷阱輔助電子隧穿從而產(chǎn)生SILC。陷阱密度較高的區(qū)域，其額外泄漏電流就越大。而SOI材料片由于離子注入引發(fā)了較多的陷阱，因此，在相同的應(yīng)力條件下較容易產(chǎn)生隧穿電流。當(dāng)某個(gè)局部區(qū)域陷阱濃度超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì)促使低能級(jí)電流增加，熱量將會(huì)沿著該局部路徑逃逸，在陰極和陽(yáng)極之間會(huì)形成一個(gè)短路通道，從而發(fā)生擊穿。從圖上還能看出，增加了抗總劑量輻射加固工藝的樣品擊穿電壓小于未作加固的樣品，這同樣可能是由于加固工藝過(guò)程中的離子注入引入了部分陷阱導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

本文對(duì)體硅片、SOI材料片、抗總劑量輻射加固的SOI材料片上的柵氧電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行了柵氧可靠性評(píng)估，使用了恒壓應(yīng)力法，結(jié)果說(shuō)明柵氧的擊穿時(shí)間與應(yīng)力大小成反比，證明柵氧介質(zhì)的擊穿時(shí)間主要由第一階段缺陷積累時(shí)間決定。對(duì)比三組樣品的柵氧壽命，體硅樣品的壽命最長(zhǎng)，未加固SOI樣品次之，加固SOI樣品最小，但兩者相差不多，這主要是由于離子注入引入的陷阱造成的，總的來(lái)說(shuō)壽命滿足10年的要求。后續(xù)考慮用其他方法制備的SOI材料片做進(jìn)一步研究，以減少離子注入帶來(lái)的損傷對(duì)柵氧壽命的影響。

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