80-6 ron-20.indd - 富士電機

富士時報 Vol.80 No.6 2007
厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニズム
栗林均（くりばやし　ひとし）
まえがき
特集
須ケ原紀之（すがはら　よしゆき）
荻野正明（おぎの　まさあき）
を説明するモデルで，模式図を図 1 に示す。電気的なスト
レスによりある大きさを持った球形の電子トラップ（欠
MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）型デバイスにお
陥）がゲート酸化膜中でランダムに発生し，時間とともに
けるゲート酸化膜の絶縁破壊メカニズムについては，過去
それらが徐々に増えていく。最終的に電極（MOS デバイ
数十年にわたって精力的な研究が続けられてきている。こ
スの場合はポリ Si 電極− Si 基板）間で欠陥が数珠つなぎ
れはゲート酸化膜の信頼性が MOS 型デバイスの信頼性を
となった瞬間を酸化膜が破壊したと定義するモデルである。
左右する重要な一因子であるからにほかならない。近年，
欠陥の大きさとしてはおおむね 1 nm のオーダーで近似さ
薄い酸化膜の絶縁破壊メカニズムの解釈に，パーコレー
れることが多い。
ションモデルが導入され成功を収めている。このモデルの
図 2 は Degraeve らのシミュレーション結果であり，
最大の利点は，酸化膜厚と絶縁破壊統計のばらつきとの関
ゲート酸化膜厚をパラメータとして示したものである。横
係をうまく説明できるところにある。例えば Degraeve ら
軸はゲート酸化膜が破壊したときの電子トラップ密度，縦
は，膜厚 11 nm 以下のゲート酸化膜について，その絶縁
軸は累積故障率（F）をワイブルチャート紙にプロットし
破壊統計性を非常によく再現できることを報告している。
たものである。図から酸化膜厚が厚くなるにつれワイブル
一方，パワー MOSFET（MOS Field-Eﬀect Transis-
プロットにおける傾き（β）が急しゅんになっていくこと，
tor）などではその駆動電圧の高さゆえに，これよりもはる
すなわちゲート酸化膜の絶縁破壊分布のばらつきが小さく
（ 1）
（ 2）
かに厚いゲート酸化膜が今なお使われている。しかしなが
なっていくことが示されている。
ら，このような厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニ
図 3 は同じく Degraeve らが示した実験結果のワイブル
ズムについて十分な検討がなされてきていないのが現状で
プロットである。この測定はゲート酸化膜が破壊するまで
ある。
一定電流をゲート電極に印加し続ける定電流 TDDB 法と
本稿では，このパーコレーションモデルがより厚い領域
呼ばれる評価手法の測定結果である。横軸は酸化膜が破壊
のゲート酸化膜に対しても適用可能であるかどうかについ
するまでにゲート酸化膜を通過した電流の総和（Fluence）
て，実験と考察を行ったので紹介する。
で，C/cm2 という単位系を有する物理量（QBD）を規格化
パーコレーションモデル
図
シミュレーション結果
パーコレーションモデルはゲート酸化膜の経時破壊
2
図
パーコレーションモデルの模式図
In［−In（1− ）
F ］
（TDDB：Time Dependent Dielectric Breakdown）現象
5 nm
0
7 nm
−2
10 nm
12 nm
−4
t ox ＝2 nm 3 nm
10
19
須ケ原紀之
4 nm
栗林均
8 nm
6 nm
10
臨界電子トラップ密度（cm−3）
20
10
21
荻野正明
SRAM，音声合成用 ROM，CCD
パワーデバイスのプロセス開発に
半導体プロセス開発に従事。現在，
などのプロセス開発，特に絶縁膜
従事。現在，富士電機デバイステ
富士電機デバイステクノロジー株
形成の研究に従事。現在，富士電
クノロジー株式会社電子デバイス
式会社電子デバイス研究所プロセ
機デバイステクノロジー株式会社
研究所プロセス開発部。工学博士。
ス開発部。応用物理学会会員。
電子デバイス研究所プロセス開発
応用物理学会会員。
部。
457（ 79 ）
富士時報 Vol.80 No.6 2007
図
厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニズム
Q BD の測定結果
図
ワイブル傾き（β）の膜厚依存性
特集
12
0
−1
実験値β
計算値
10
t ox ＝2 .4 nm
7.5 nm
−2
11 nm
−3
3.4 nm
−4
ワイブル傾きβ
In［−In（1− ）
F ］
1
8
6
4
2
4.6 nm
0
−5
0.01
1
0.1
0
2
Q BD（相対値）
4
6
8
酸化膜厚（nm）
10
12
ト酸化膜厚に比例することになる。
図
図 5 は Degraeve らが報告したβと膜厚との関係で，両
Suñé の解析モデル
者とも膜厚に対し線形に増加しており，モデルの妥当性
N（面積）
が確認できる。この特性は，膜厚が大きいほどパーコレー
ションを起こすためにより多くの欠陥が膜厚方向に数珠つ
n（膜厚）
なぎとならねばならないことに起因している。これまでは
11 nm 以下のゲート酸化膜でしかこのモデルの妥当性が検
証されていなかった。今回，25 nm の酸化膜厚領域までの
βを調べ，この関係が成立するのかについて調査を行った。
した数値で示している。図 2 のシミュレーション結果と図
実験方法
3 の実験結果はきわめてよく似た傾向を示していることが
分かる。
p 型（100）Si 基板上にゲート酸化膜厚 4.8 〜 25 nm の
パーコレーションモデルはバルセロナ大学の Suñé に
MOS キャパシタと MOS トランジスタを作成した。面積
よって以下のように定量的に解釈されている。図 4 のよう
は 0.01 mm2 である。MOS キャパシタに対しては Fowler-
に酸化膜の断面を高さ方向に n 個，面積方向に N 個のセ
Nordheim（FN）電流による定電流ストレス法によりゲー
ルに区切り，トラップの発生したセルに丸を描き，ゲート
ト酸化膜が永久破壊するまで電流印加を続けた。また，
（ 3）
側から界面まで縦一列につながったとき，絶縁破壊が起き
MOS トランジスタに対しては Substrate Hot Hole（SHH）
ると仮定する。
注入法により n ウェル中で加速したホールを酸化膜に注
ある瞬間に任意のセルが壊れている確率をλとすると，
入した。
一つの列全体が破壊する確率はλ で表記される。酸化膜
n
の破壊は N 個の列のうち少なくとも一つの列が壊れれば
結果と考察
よいので，その確率（FBD）は式
で表記される。
（ 1）
FBD ＝ 1−
（1−λ ） ………………………………………（ 1）
図 6 にストレス電流密度をパラメータとして測定結果を
λ≪ 1 の場合，ln（1−λ ）≒−λ で近似すると式
は，
（ 1）
示す。膜厚（tox）が 10 nm の場合，図 6（a）
のようにワイブ
n
N
n
n
ln［−ln（1−FBD）
］
＝ n・ln（λ）
＋ ln（N）………………（ 2）
ル傾きβは電流ストレスに依存していない。この事実はβ
に変形できる。式
の左辺はワイブルプロットにおける縦
（ 2）
が膜厚で決まるとするパーコレーションモデルと矛盾しな
軸そのものであり，ln（λ）に対する係数は n，つまり酸化
いが，18 nm と 25 nm では電流ストレスが大きいほどβ値
膜厚のセル数に等しいことになる。
が小さくなっていてβにストレス電流密度依存性があるこ
この関係を実験による QBD のワイブル分布と比較する
とが分かる。
ためには，欠陥生成密度λを注入電荷密度の関数として表
図 7 にβの膜厚依存性を示す。白丸は Degraeve らによ
す必要があるが，Degraeve らが報告したようにλが式
（ 3）
る実験結果で，黒丸は今回の実験結果を示している。実線
のように注入電荷密度のべき乗で表されると仮定する。
はパーコレーションシミュレーションを 30 nm まで行っ
λ
（Qinj）
＝ξ・Qinj ………………………………………（ 3）
た結果である。低電流ストレス側におけるβ値に限れば，
a
式
を式
に代入することにより，
（ 1）
（ 3）
膜厚とともにβ値が大きくなっている。このことは酸化膜
ln［−ln（1−FBD）
］
＝ n・α・ln（QBD）＋ ln（N）＋ n・ln（ξ）
厚が厚くなるほど，より多くの欠陥がつながる必要がある
の関係式が得られ，ln（QBD）に対するワイブルプロット
というパーコレーションモデルの概念と矛盾しない結果で
の傾き（β）は膜厚 n とαとの積で表記され，βはゲー
ある。しかしながらシミュレーション結果とは値が一致し
458（ 80 ）
厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニズム
富士時報 Vol.80 No.6 2007
が大きくなるにつれてβ値が小さくなっていて，明らかに
の 2 倍程度以上の値となっている。
酸化膜厚依存性がある。その値はシミュレーションで予想
また，膜厚 18 nm 以上の厚い酸化膜では電流ストレス
される値よりもはるかに小さな値であり，従来のパーコ
レーションモデルでは説明が困難である。
図
図 8 は 25 nm のサンプル（N ＝ 40 個）での一定電流を
各種膜厚の Q BD の測定結果
流すために必要なゲート電圧の経時変化を示したものであ
In［−In（1− ）
F ］
2
る。電流印加開始後しばらくはホールの捕獲により電圧が
①：0.005 A/cm2
②：0.1 A/cm2
③：0.2 A/cm2
④：1 A/cm2
0
減少していくが，電流ストレス後期には電子が捕獲され
ることにより電圧は上昇していき最終的に酸化膜は永久破
壊に至る。電流ストレスが大きい場合，ホールの捕獲が著
−2
しく，ホール捕獲領域から酸化膜破壊が開始している。一
方，電流ストレスが小さいときはホール捕獲は顕著ではな
−4
④
−6
1
5
③
②
①
く，電子捕獲領域に入った後に酸化膜が短時間に一斉に壊
10
れることが分かる。
50
図 9 は酸化膜が薄い場合（10 nm）の結果である。図 8
Q BD（C/cm ）
2
（a）t ox ＝10 nm
In［−In（1− ）
F ］
2
とは違ってゲート電圧の減少傾向はみられず，ゲート電圧
は電流ストレス印加当初から徐々に上昇していく。これは
①：0.005 A/cm2
②：0.01 A/cm2
③：0.05 A/cm2
④：0.1 A/cm2
⑤：0.2 A/cm2
0
−2
酸化膜中に正孔は厚膜のようには捕獲されず，主として電
子が捕獲されていることを意味している。また，酸化膜破
壊の時間ばらつきも電流ストレスの強弱で差はみられない。
捕獲されたホールの起源は，膜中でのインパクトイオ
ン化現象によると考えられている。カソードから注入さ
−4
⑤
−6
1
③ ② ①
④
5
れた電子は，酸化膜電界により加速され酸化膜のバンド
10
ギャップである 9 eV を超えるエネルギーを得るとインパ
50
クトイオン化によりホールを生成するが，そのために必要
Q BD（C/cm2）
な酸化膜電界は酸化膜厚が厚くなるほど小さくてすむこと
（b）t ox ＝18 nm
（ 4）
が Arnold らによって報告されている。富士電機では，イ
①：0.005 A/cm2
②：0.01 A/cm2
③：0.05 A/cm2
④：0.1 A/cm2
0
図
ゲート電圧の経時変化（25 nm のとき）
30
−2
−4
−6
④
③
1
5
10
②
ゲート電圧（V）
In［−In（1− ）
F ］
2
①
50
Q BD（C/cm2）
（c）t ox ＝25 nm
29
28
27
正孔捕獲
26
β＝3.3
25
100 101 102 103 104 105
時間（s）
（a）J st ＝100 mA/cm2
βの膜厚依存性
ストレス電流密度
0.01 A/cm2
0.05 A/cm2
20
0.1 A/cm2
0.2 A/cm2
0
10
17
16
30
10
0
100 101 102 103 104 105
時間（s）
（b）J st ＝5 mA/cm2
ゲート電圧の経時変化（10 nm のとき）
ゲート電圧（V）
40
図
β＝52.2
0.005 A/cm2
：Degraeve らによる実験結果
：実測データ
実線：シミュレーション結果
50
ワイブル傾き β
図
電子捕獲
電子捕獲
20
酸化膜厚（nm）
30
電子捕獲
15
14
電子捕獲
13
12
11
10
β＝7.86
9
100 101 102 103 104 105
時間（s）
（a）J st ＝1 A/cm2
β＝9.67
100 101 102 103 104 105
時間（s）
（b）J st ＝5 mA/cm2
459（ 81 ）
特集
ておらず，25 nm 酸化膜の実測β値はシミュレーション値
厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニズム
富士時報 Vol.80 No.6 2007
図
βの電界依存性
図
酸化膜破壊メカニズムの模式図
30
特
J h ＝0.3 mA/cm2
ワイブル傾きβ
集
FN 電流
20
J h ＝0.2 mA/cm2
SHH
注入法
10
（a）β＝小
J h ＝0.6 mA/cm2
J h ＝0.9 mA/cm2 J ＝1 mA/cm2
h
J h＝1 mA/cm2
0
（b）β＝大
4
6
個捕獲される確率が小さくなる。さらに捕獲されたホール
8
10
12
14
はクーロンアトラクティブトラップとなるが，電流ストレ
スが小さい場合には，注入してくる電子と再結合する機会
酸化膜電界（MV/cm）
も高くなるためポジティブフィードバックが起こりにくい。
このため欠陥が一方の電極から他方の電極まで数珠つなぎ
図
βのホール電流密度依存性
となる必要があるので，β値が非常に大きくなると考えら
れる〔図（b）
〕
。
30
パーコレーションモデルは膜中インパクトイオン化が起
ワイブル傾きβ
V G ＝−23.3 V
では単純なパーコレーションモデルが適用できないことを
FN 電流
20
SHH
注入法
V sub ＝13.23 V
10
こらない酸化膜厚に適用可能なモデルであり，厚い酸化膜
示した。
V G ＝−23.5 V
あとがき
V G ＝−24 V
V sub ＝13.25 V
V sub ＝13.3 V
0
10−6
10−5
10−4
厚いゲート酸化膜における絶縁破壊メカニズムについて
10−3
10−2
10−1
100
ホール電流密度（ A/cm2）
考察した。今回の調査よりも数倍厚いゲート酸化膜が用い
られているパワー MOSFET において，報告したメカニズ
ムが適用できるかを検証し，絶縁破壊メカニズムの解明を
行っていく所存である。
ンパクトイオン化が起こらない小さな酸化膜電界条件で
SHH 法により異なるホール注入密度でホールを酸化膜に
注入し，βの変化を調査した。結果を図
，図
に示す。
Degraeve, R. et al. New Insights in the Relation Between
（ 1）
）
，ホール注
Electron Trap Generation and the Statistical Properties of
）
。したがって，厚い酸
Oxide Breakdown. IEEE Trans. Electron Devices. vol.45,
βは酸化膜電界には依存しておらず（図
入電流密度に依存している（図
参考文献
化膜においては酸化膜電界よりもホールの注入による捕獲
no.4, 1998, p.904-911.
が酸化膜破壊の重要な一因子となっていると考えられる。
For Example, Fujishima, N. et al. A low on-resistance
（ 2）
以上のことから，厚い酸化膜に大きな電流ストレスを印
trench lateral power MOSFET in a 0.6 µm smart power
加した場合にβ値が小さくなる理由は，インパクトイオン
technology for 20-30 V applications. Tech. Dig. IEDM. 2002,
化により生成したホールが特定箇所に複数個捕獲され，そ
p.455-458.
の部位での局所的な電界が強くなり FN 電流が増加し，さ
Suñé. J. New Physics-Based Analytic Approach to the
（ 3）
らにホールの捕獲が増えていくというポジティブフィー
Thin-Oxide Breakdown Statistics. IEEE Electron Devices
ドバックが発生して最終的に絶縁破壊に至ると考えられる。
この場合，酸化膜全体にホールの捕獲が起こる必要はない
Letters. vol.22, no.6, 2001, p.296-298.
Arnold, D. et al. Theory of high-ﬁeld electron transport
（ 4）
ためβ値は小さくなり，膜厚にも依存しない〔図（a）
〕
。
and impact ionization in silicon dioxide. IEEE IRW Final
一方，膜厚が薄い場合や印加する電流ストレスが小さい
Report. 2000, p.144-145.
場合では，ホールの発生量が小さいため，特定箇所に複数
460（ 82 ）

Download Report