场效应管时间相关介质击穿的失效机制研究
刘峰松，陆金，陶有飞
（上海先进半导体制造股份有限公司，上海 200233）
摘要： TDDB（Time dependent Dielectric Breakdown）时间相关介质击穿，表征与时间相关的介质电击穿。在金属场效应管器件里是用来测试栅氧层可靠性的关键参数。PEM（process evaluation module）可靠性测试片上发现，多晶叉齿结构更易造成 TDDB 失效。交叉实验研究表明氮化硅上顶层金属在热过程下的形变是 TDDB 在 PEM 结构上失效的主要原因。可以通过降低退火温度和氮化硅压应力的补偿来改善，可有效解决 TDDB 失效。同时发现介质层 ILD 的膜质组成也会对 TDDB 失效有一定影响。
关键词：集成电路制造；时间相关介质击穿；栅氧；场效应管；应力；退火
中图分类号：TN305 文章编号：1674-2583(2017)11-0030-05
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2017.11.007
中文引用格式：刘峰松，陆金，陶有飞.场效应管时间相关介质击穿的失效机制研究[J]. 集成电路应用, 2017, 34(11): 30-34.
The Time Dependent Dielectric Breakdown Failure Study of MOSFET
LIU Fengsong, LU Jin, TAO Youfei
(Advanced Semiconductor Manufacturing Corporation, Shanghai 200233, China. )
Abstract: TDDB （Time dependent dielectric breakdown） presents the dielectric's breakdown with time. It used for gate oxide quality check on Metal gate Oxide field devices. In PEM (process evaluation module) module reliability test, it found that TDDB is more easier failure on finger structure of CMOS Capacitance. It found the top metal's deformation during thermo cycling caused the FEM's TDDB failure. It can decrease the change by alloy temperature reducing and SiN stress compensation. Also it is helpful for TDDB failure. Meantime, the film structure of ILD is also impacted the TDDB failure base on the experiment result.
Key words: integrated circuit manufacturing, TDDB, gate oxide, MOSFET, stress, alloy
1 引言
热载流子效应（Hot Carrier Injection，HCI）一直是半导体器件中影响场效应管场氧可靠性的重要因子。随着器件尺寸越来越小，场效应管沟道内场强增强，会激发一定速度的热载流子发生碰撞电离，产生越来越多的电子空穴和更多的热电子。没有流向漏端的电子被栅氧的电压所捕获形成陷阱，影响栅氧氧化层和击穿特性。空穴会被衬底收集，影响寄生管的开启，形成闩锁效应（Latch up）。时间相关介质击穿（Time dependent Dielectric Breakdown，TDDB）是用来表征金属氧化物半导体器件中栅氧化层的主要指标 [1,2]。影响 TDDB 的因素大致可以分为两类。一类是栅氧自身的缺陷（电荷，缺陷，空位等），另一类来自于外在电压和应力对栅氧的影响。关于 TDDB 特性，一般有两种 E 和 1/E 模型[3,4]。E 模型既表示时序击穿和电场强度成正比，而 1/E 模型则认为时序击穿和电场强度成反比。低电场强度 E 模型准确度较高，而 1/E 模型更适合解释高场强下的击穿。自 1970年 TDDB 用来表征场效应管的栅氧层关键参数以来，对该特性报道就层出不穷。绝大多数研究都集中在前道浅槽隔离 STI 或前道栅氧生长前后工序的影响。这其中前道 STI 应力对 TDDB 的影响报道较多，主要如 Morifuji 等人报道较小尺寸器件的 TDDB 衰退与前道浅槽隔离 STI 的应力相关[5]。Miura 等人定量研究了栅氧化层生长之前硅片表面与 TDDB 测试结果的关系，发现当应力大于某一个临界值时，TDDB 寿命衰减为原来的十分之一[6]。 Nishigohri 等人观察到 NMOS 沟道尺寸的大小，会对器件的 HCI 和 TDDB 有显著影响，认为窄沟道的 STI 导致栅氧化层应力较大，增加栅氧对电荷的捕获能力[7]。Ishimaru 在 PMOS 器件中也发现了这一现象[8]。 而实际半导体制造中，出了 STI 步骤，其他 CMOS 制造工艺也会造成有源区域的应力变化，例如掺杂过程，硅化物形成过程，后道绝缘层和金属层的薄膜淀积。这些应力之间的相互作用，会造成有源区的应力累积。本文对后段制程中工艺对 TDDB 测试结果进行展开探讨，讨论应力对有源区的影响。
2 实验准备
2.1 实验方法
TDDB 测试结构如图 1，PEM (process evaluation module)可靠性测试结构图 2 所示。我们设计了四种 PEM 结构，A 结构多晶硅在平面的 P+/PWL 上，多晶硅结构为叉齿状，P+ 为平面型；B 结构多晶硅在平面的 N+/PWL 上，多晶硅结构为叉齿状，N+ 为平面型；C 结构多晶硅在叉齿的 P+/NWL上，多晶硅结构为平面型，P+ 为叉齿状；D 结构多晶硅在叉齿的 N+/PWL 上，多晶硅结构为平面型，N+ 为叉齿状。分别对这四种结构进行测试，以最先失效的结构作为 TDDB 失效寿命。实验发现A结构相对其它三种结构最为敏感，本文后续提到的测试失效均为此结构率先失效。具体结构如示意图 2，一端从多晶硅栅极上引出，另一端从衬底 P 肼上引出。在栅氧端上扫描电压，衬底接地，测试在小于击穿电压的一定电压下，栅氧的寿命。
2.2 实验条件
具体测试条件如表 1，TDDB 测试条件所示。测试温度 125 ℃，分别测试三种不同电压下栅氧失效率在 E 模型下达到 0.1% 时的经过时间。然后推导在 5.5 V 下的寿命时间，如果该时间超过 10 年，则代表 TDDB测试通过。
图 3 为三种不同电压下 TDDB 测试的韦伯尔分布曲线,威布尔分布常用来统计累积失效分布的一种计算方法[9,10]。具体累积分布函数计算公式如下。
F(t)=1-EXP{-(t/c)γ} （1）
这里 c 代表 尺度参数 and g 代表形状参数。 假如 ln[-ln{1-F(t)}] 和 ln(t) 相反, 结果就是一条直线，斜率为 g 截距为 g*ln(c)。失效时间中位数一般为 63.2% 的累积失效。失效标准以测试电流大于 1 mA 为界。超出这一电流则认为器件失效。
3 实验过程
3.1 实验 1：不同 ILD 层样品 TDDB 失效分析
在生产中发现，版图设计相同的 CMOS 器件A 和 B，由于后道工序上略有不同，TDDB 失效率存在明显差异(图 5 所示)。A 样品 ILD（Inter layer dielectric）由硼磷硅酸盐玻璃 BPSG 构成，不做 ILD 平坦化工艺。而 B 样品 ILD 由 BPSG 加未掺杂二氧化硅 PETEOS 组成，并经过平坦化步骤。钝化层氮化硅的条件也略有不同，A 样品氮化硅在 Novellus 机台上淀积，温度为 460 ℃。B 样品在应用材料 AMAT 机台上淀积氮化硅，温度为 400 ℃。B 的 TDDB 测试失效率较高。我们对 A 和 B 产品安排了交叉工艺流程实验，见表 2 不同 ILD 样品的 TDDB 测试结果。
从测试结果来看，我们可以得出两个结论：
（1）样品 #1～2 测试结果显示 TDDB 失效与样品的 ILD 构成有关联性。单纯 BPSG 构成的 ILD 样品，具有较长的 TDDB 寿命。
（2）样品 #9～12 测试结果说明，IMD2 （inter metal dielectric）及氮化硅钝化层（Passivation Layer）后续工序对 TDDB 也有明显影响。跳过钝化层的样品，TDDB 没有发现失效。通过对不同温度下氮化硅薄膜的应力比较（见图 6），我们发现随着温度升高，氮化硅的压应力(compressive)会变大。350 ℃ 以上，这一变化趋势更加明显。于是，我们认为氮化硅压应力的增加，一定程度上有助于 TDDB 失效的改善。
3.2 实验 2：不同层次退火对 TDDB 影响
从实验 1，#10,11 样品仅在钝化层后的退火条件上有所不同，但 TDDB 测试结果有明显区别。基于此我们安排了实验 2，条件如表 3 不同层次退火的 TDDB 测试结果所示：F 表示 TDDB 失效（标记F列），G 表示 TDDB 测试通过（标记 G 列）。可以看到样片 #1，9,10 在钝化层之后的 440 ℃ 退火，TDDB 测试均失效（标记 F 列）。而其他层次 ILD/金属/IMD 层次的退火，对 TDDB 结果均无影响。样品 #3 降低钝化层后退火温度至 400 ℃，TDDB 测试通过。该实验表明，氮化硅后的退火温度与 TDDB 测试结果密切相关。
3.3 实验 3：氮化硅和金属应力对 TDDB 影响
通过实验 1 和 2，我们可以认为 ILD 层,钝化层,顶层金属层和退火温度是影响样品 TDDB 测试结果的几个主要因素。这里钝化层主要有 IMD2 二氧化硅和氮化硅组成。相对二氧化硅，同样厚度的氮化硅应力要更大。而顶层金属一般用于后道封装连线，厚度也在 2 μm 以上。这几个因素对 TDDB 失效，哪个影响更大呢？我们设计了交叉实验 3，见表 4。通过该实验，我们可以看到主要影响 TDDB失效的因素为顶层金属后的退火温度和钝化层氮化硅的应力。410 ℃以下温度退火的样品，均没有失效。#9 片显示增加氮化硅的应力，即使退火温度在 440 ℃也可以明显降低 TDDB 失效。这也与实验 1 的结论相一致。#8 片可以看到在顶层金属淀积前的高温退火，不会引起 TDDB失效。#4,6 则说明改变 ILD 结构对高温退火带来的 TDDB 失效，会有一定程度改善 0.001≥0.119 年，但效果不大。
3.4 实验结果分析
首先我们对 TDDB 失效样品进行分层剥离，并对硅表面在扫描隧道显微镜下进行缺陷定位分析，见图 7 TDDB 失效样品缺陷分析。发现失效样品栅氧层下的硅表面存在孔缺陷（pin hole）。而对样品在前道栅氧生长前后，进行在线缺陷检测（图 8），均未发现任何异常缺陷。同样在栅氧的短流程测试样品上，对单层金属的栅氧击穿特性测试也没有发现异常。由此我们认为，造成TDDB失效的缺陷不是来自于前道栅氧工序，而是栅氧以后的后道工序造成。
结合实验 1～3，栅氧区硅表面的针孔主要来自于后道钝化层氮化硅 SiN层的影响。这里是水汽，电荷损伤还是应力造成。如果基于水汽和电荷损伤机理，很难解释退火温度的降低会改善TDDB 失效率。在其他层次的退火也对TDDB 没有明显影响。这里我们认为栅氧硅表面的针孔缺陷主要来自于钝化层氮化硅 SiN 与顶层金属的应力不匹配造成。Donald S 对 AlCu/AlSi 薄膜在热过程下的应力变化，进行研究发现会有形变产生，见图 9[11]。金属随着退火温度的变化，会产生张应力(tensile)的形变。而增大氮化硅的压应力可以有效补偿在退火过程中自金属的张应力变化。另外关于氮化硅的应力对可靠性的影响，也曾被人提及。李睿等人曾研究发现，CMOS 器件中应力对器件可靠性有显著的影响[12]。Mitsuhashi 等人也发现钝化层的应力会恶化 HCI 效应[13]。在热过程下，需要尽量减小这两种相反应力带来的形变。退火温度的降低可以有效降低金属与氮化硅间应力的变化，从而减小对器件表面的缺陷形成。ILD 如果引入更多的 BPSG 介质，也可缓冲金属在退火过程带来的形变。我们知道，BPSG 相对二氧化硅膜质较为疏松，回流效果也较好。单纯 BPSG 构成的 ILD 相对 BPSG 与 PETEOS 组合而言，具有更佳的缓冲效果。这也解释了不同 ILD 的样品失效率的不同。
4 结语
本文针对不同样品间 TDDB 测试失效率的差异，对后道工序进行分组交叉实验。实验发现 ILD和钝化层氮化硅薄膜对TDDB有较明显的影响。同时发现顶层金属后的退火温度对 TDDB 结果有显著的影响。对此进行进一步分析，结论认为氮化硅上顶层金属在热过程下的形变是造成栅氧缺陷和影响栅氧 TDDB 特性的主要原因。通过退火温度的降低和氮化硅应力的补偿，可以有效改善形变，提高 TDDB寿命。以后在版图设计上，如何减小应力带来的影响。后道工序的结构优化，找到更佳的组合工序。相信随着器件尺寸的减小，这一问题会变得更加重要。感谢质量部门罗俊一，李清华对可靠性 TDDB 测试的大力支持，同时也由衷感谢姚丹青在版图设计方面的建议。
参考文献
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