栅极介质层的质量评估 (GOI) （转）
本文转自芯苑，ic-garden.cn （由于芯苑会经常关闭站点，故转载存留）
随着MOSFET的尺寸越来越小，栅极介质层的厚度也是越来越薄。作为MOSFET的核心，Gate OXide的可靠性一直都是最主要的制约器件是否可以量产的因素之一。前面我们几乎讲完了Gate Electrode和Gate Dielectric两个部分，今天我们该趁热打铁把Gate Dielectric的可靠性讲完，其实就是我们FAB里面经常讲的GOI测试。
随着GOX的一直无限制的减薄，我们面临的问题是栅极漏电直接变得不可忽略，甚至直接导致Gate进入热击穿而烧毁，所以评估栅极抗压能力将是这个器件寿命的重要指标。
在评估Gate Dielectric的效能之前，我们先讨论下通常Gate Dielectric都是怎么失效的，然后根据它的失效机理再去想怎么评估会比较能理解和记忆。
如上所述，我们GOX一直在down薄，到了0.13um甚至<20A了，当厚度减小带来的直接问题就是Gate对衬底的电场显著提高了，那这个栅极介质层也不会持续 保持他的绝缘性了，会发生Quantum Mechanical Tunneling导致直接漏电。通常这种Tunneling有两种方式，F-N tunneling和Direct tunneling (上一篇文章<Gate Dielectric>已经讲过了)。
上面都是讲的减薄会带来的direct tunneling问题，这种只能靠提高介质常数来等效换取厚度了，类似的理论在我们Low-End process里面也有比如用ONO Capacitor代替HTO Capacitor换取高BV的电容。那F-N Tunneling呢？它是一个类似Trap Assisted (陷阱辅助)的隧穿，字面理解就知道它一定的借助于Trap，而这个trap从哪里来？它就是栅极氧化层被损伤了或者没长好带来的缺陷陷阱中心，我们称之为栅极氧化层损伤(damage)，下面介绍下GOX损伤的几种机理。
首先，Si/SiO2的界面有一个突然的过渡(Abrupt Transition)导致界面的Si无法找到Si和O与其形成共价键，所以产生了很多界面态(Dit)。其次在热生长过程中，在GOX体内也会产生局部不完整的陷阱(traps)，而这个陷阱可以俘获电子和空穴，当然除了界面陷阱外，这个Bulk traps应该是不应该有或者需要降低的。而界面陷阱我们只能靠后天去填补，让它不要祸害别人就行。但是Bulk traps会发生F-N tunneling导致电子跃迁进入GOX的导带，这些电子在电场作用下得到足够的能量并且在晶格散射(Lattice Scattering)过程中损失掉，如果损失的过量(Excess)的话(3~9eV)，它会撞击晶格产生新的traps。而这种损失过量能量的方式有很多种，但是共性都是键被打断了(Bond Breaking)形成trap。如果这些被打断的键足够多的话，多个trap重叠形成导电通道就击穿了，就会有更多的电子进入而进一步导致栅极介质层击穿(breakdown)。
当然栅极介质层的击穿可以分为两种，一种叫做本征击穿，一种叫做非本征击穿。前者本征击穿起始于均匀的界面但是没发生击穿，通常它会找到一个“薄弱点”(Weak Spot)来产生一个损伤集中区(Cluster)。而这种损伤会起始于阳极(Anode)和阴极(Cathode)两边，最终两边向中间扩展穿过整个GOX区域导致击穿，通常本征击穿都是由于清洗不干净或者沾污造成的。
而非本征击穿则起始于GOX内部非本征缺陷导致的击穿。它主要是由于SiO2中的针孔、微裂缝、纤维丝、杂质等引起的，是SiO2膜中薄弱环节处的击穿，不能反应SiO2膜本身的固有特征。
好了，上面讲完了栅极氧化层一般都有哪些问题以及击穿机理了，现在我们来讲讲栅极氧化层完整性(GOI: Gate Oxide Integrity)该如何测试吧，也就是我们通常讲的GOI qual或者WAT的Vbd测试。GOI全称是Gate Oxide Integrity，即栅氧化物完整性。它主要表明栅氧化物电学上“完整”。MOS器件失效的重要原因是栅氧化物的击穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同义词就是GOI。
我们书本上讲理想的GOX的击穿电场是8MV/cm，当然能达到这个估计也没什么可以挑剔的了，如果还要improve估计只能靠Si亚表面附近的氧沉淀了。而通常处于3~8MV/cm (~2.3*Vcc)就是我们讲的B模式(B-mode)，一般情况下是由于COP (COP: Crystal Originated Particle, 凹坑侧壁GOX易变薄)或者边缘氧化层变薄导致的。
还有一种击穿电场<3MV/cm (~Vcc)的，这是瞬间失效，所以就是我们常讲的A模式(A-mode)，一般都是针孔缺陷或金属污染。这里不得不讲讲针孔缺陷(pin-hole)，它一般都是由于表面颗粒造成的，栅氧长不好，导致这里局部电场线弯曲集中而击穿。
而评估GOI的测试方法来源于业界标准JEDEC35里面规定的V-ramp和J-Ramp。主要有如下几种：
1、扫描电压(Ramp Voltage Stress、 V-Ramp)：流程以一个预测试（Pre－test）开始，它是用来测试初始时氧化层的完整性。在预测试的过程中，在待测器件（DUT，Device Under Test）上加一个常压（Vuse）加并测试氧化层漏电流。如果确定氧化层是正常的，之后会加上一个线性的电压（Linear voltage ramp）直到氧化层产生失效。V-Ramp测试会得到一个线性的电压曲线，且测试是从低压开始，所以它善于检测低电场下的失效，但是在高电场下的解析度（Resolution）很弱。所以常常被用于测算初始死亡率（Infant mortality）和较大测试结构（test structures）中的低电场失效，比如外部失效（Extrinsic failures）。FAB里面通常主要用V-ramp就够了，除非特殊应用，比如Automotive。
2、扫描电流法(J-Ramp)：J-Ramp的测试方法和V-Ramp类似，也是以一个预测试（Pre-test）开始。在这个预测试中，加一个常数电流（Typically 1uA），测试电压。如果DUT是正常的，之后会加一个上升的步进电流对数（Increasing logarithmic step current)，直到测出的电压比先前测出的值（Vpre）下降了15％或者更多，或者超出了先前定义的电荷限值（charge limit）。J-Rmap测试会得到一个上升的电流对数曲线直到氧化层被击穿，而且它的测试是从一个相对较高的电压开始，所以它的低电场解析度较低而高电场解析度较高。J-Ramp常被用于较小的测试结构中，测算那些被认为是内在原因造成的氧化层失效。
这些听起来都是相当简单，但是在测试流程中会遇到一些困难。为了测算出精确的VBD和QBD，电压或电流的步进时间（step time）必须尽可能的均匀和精确。实际情况是，通过外部电脑（External PC）精确的控制步进时间（step time）可能是很困难的，因为受到了如下因素所限：外部电脑的的内部时钟（Internal clock）的解析度（resolution）和精确度（accuracy）。同样，仪器的影响，比如范围变化（range change）,也能产生无法预料的步进时间变化（step-time variations）。所以对仪器的要求以及程序Step time和Hold time的设定很重要。
讲完了GOI的测试，再来讲一下GOI的测试图形(Test Vehicle, pattern)如何设计？这也是业界标准的。
主要有OD bulk，Poly Finger，OD Finger，然后各自分NW和PW。所以一共有6组pattern，具体的尺寸也是标准里面定义好的，OD bulk主要是看GOX本身有没有问题的，所以是看面积(面积越大越容易抓到defect)，设计面积是1,000,000um2。而Poly finger和OD finger通常是用来看poly和OD边缘的damage或者鸟嘴/STI coner是否有weakness，所以主要看finger的周长，当然实际现在也是看面积，可以根据line/space来换算的。
最后说一下，一般情况下GOI fail主要的factor都有哪些？共性看起来plasma和substrate还有clean和oxidation比较重要。
1. Bulk fail: 主要来自clean、plasma、substrate、defect、Oxidation
2. OD fail: STI, RPO etch, plasma, substrate, clean, oxidation
3. Poly: poly etch, poly oxidation, S/D implant, SW_ET, plasma, Salicidation, Substrate, clean, oxiation.
一般来讲只fail NW主要是来自plasma，如果只fail PW则可能是Substrate和COP。但不要教条啊，只是一般情况哦。
好吧，到此应该差不多了，最后还有一个叫做软击穿的(Soft Breakdown)，这个东西在极薄的氧化层中，击穿可能并不是那么容易察觉的。当软击穿（Soft breakdown）发生时，不会出现电流的大幅上升。经常在软击穿（Soft breakdown）发生后，氧化层可能仍然会表显出一些隔绝（insulate）特性，尽管这些特性已经发生了严重的退化（degraded）。软击穿（Soft breakdown）对V-Ramp和J-Ramp 测试提出了额外的（additional）的挑战。因为软击穿（Soft breakdown）的造成的电流电压变化并不显著，所以检测它变得更加困难，必须要快速反应以及低电流小噪声的SMU才可以。
还有一种就是TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)，这种特别费时，除了Automotive几乎应该不用了。
GOI evaluation: http://pan.baidu.com/s/1eQ4MfXw
GOI JEDEC35: http://pan.baidu.com/s/1gdAjRbX
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