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1、2004年2月西安电子科技大学学报(自然科学版)Feb.2004第31卷第1期JOURNALOFXIDIANUNIVERSITYVol.31No.1栅氧化层击穿的统一逾渗模型马仲发,庄奕琪,杜磊,包军林,万长兴,李伟华(西安电子科技大学微电子研究所,陕西西安710071)摘要:综合E模型和1/E模型中两种不同的缺陷产生机制和逾渗理论,建立了栅氧化层击穿过程中缺陷产生和击穿触发的统一逾渗模型.该模型认为栅氧化层的击穿触发是由于氧化层中氧空位等缺陷所形成的定域态扩展化的结果,并对氧空位等缺陷的产生动力学进行了统一的描述,使得该模型无论在高场强还是低场强情况下所得的结果,均能较
2、好地描述氧化层击穿过程,从而对长期以来有关栅氧化层击穿的E模型和1/E模型之争做出了较为合理的解释.关键词:栅氧化层;击穿;逾渗;模型中图分类号:TN34;TN38611文献标识码:A文章编号:100122400(2004)0120054205AunifiedpercolationmodelforgateoxidebreakdownMAZhong2fa,ZHUANGYi2qi,DULei,BAOJun2lin,WANChang2xing,LIWei2hua(ResearchInst.ofMicroelectronics,XidianUniv.,Xi′an710071,Ch
3、ina)Abstract:BasedonthePercolationtheoryanddefectscreationmechanismsofbothEmodeland1/Emodel,aunifiedpercolationmodelforgateoxidebreakdownisbroughtforward.Thetriggingmechanismofgateoxidebreakdownisbelievedtobetheextendingofthelocalizedstatesinducedbythedefectssuchasoxygenvacancyinanoxide.T
4、hedefectcreationdynamicssuchasoxygenvacancyisdescribedsynthetically.Asaresult,theresultsofthismodelbothinahighelectricfieldandinalowelectricfieldfitwellwiththeexperimentaldata.So,thelong2existingdisputebetween1/EandEmodelsissettled.KeyWords:gateoxide;breakdown;percolation;model[1]栅氧化层的可靠性
5、是MOS集成电路中最重要的可靠性问题之一,有关栅氧化层可靠性问题人们已经[2]做了大量的研究.在研究氧化层寿命时,经常采用加速寿命实验,包括温度加速和电场加速两种加速方法.通过加速实验,可以较快测得氧化层在加速试验条件下的寿命.将加速寿命实验得到的氧化层寿命按照一定的公式外推,就可以得到器件正常工作条件下的寿命.在20世纪70年代后期,通过实验数据拟合,有人总结出了栅氧化层介质经时击穿(TDDB)寿命拓展的[3～5]经验公式:3(kT)-γE(1)ln(TF)∝ΔH0/ox,3γ是电场加速因子.其中ΔH0是栅氧化层TDDB激活焓,T是绝对温度,k是玻耳兹曼常数,为了解释这
6、一经验公式,人们曾经做了大量的研究工作,提出了多种理论模型,其中最具代表性的就是[6][7]McPherson等人提出的E模型和Chen等人提出的空穴俘获模型与Weinberg提出的阳极空穴注入模型相[8,9][6,7]结合的1/E模型.这两种模型分别推导出了氧化层寿命随电场强度变化的两种拓展公式E模型ln(TF)∝Q1/(kT)-γEox,(2)1/E模型ln(TF)∝Q2/(kT)-G(1/Eox),(3)收稿日期:2003202212基金项目:国家自然科学基金资助项目(69671003)作者简介:马仲发(19742),男,西安电子科技大学博士研究生.第1期马仲发等:
7、栅氧化层击穿的统一逾渗模型55其中TF为栅氧化层寿命,γ和G分别为两种模型中的电场加速因子,Q1和Q2是两个过程的激活能.由于E模型和1/E模型均能在一定电场强度范围内较好地拟合实验数据,因此有关栅氧化层介质击穿的E模型与1/E模型之争一直持续到现在还没有定论.对于E模型,它考虑了氧化层击穿过程中电场的作用,在低电场范围对实验数据拟合较好,模型简单,物理机制明确,具有一定的可信性,但它的缺点是忽略了氧化层中的电子流和空穴流对缺陷产生和击穿的贡献.当氧化层中电子和空穴浓度很大的时候,这种近似明显不合理.这也是长期以来人们怀疑E模
