P－N结击穿电压蠕变

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第239页（3447字）

简称击穿电压蠕变。

是指P－N结发生雪崩时，击穿电压随雪崩时间而增加的现象。其特征是击穿电压随雪崩时间而增加；击穿特性较“硬”；随时间的延长，击穿电压最后趋向于一饱和值；击穿停止后需经过一定时间才能恢复最初的击穿电压数值。击穿电压蠕变是平面型半导体分立器件和集成电路经常发生的现象，它的出现与器件内部氧化层中(或氧化层上)的可动离子的沾污和再分布以及雪崩时半导体表面处，产生的热载流子向氧化物中的注入有关。

击穿电压蠕变造成了半导体器件击穿电压的不稳定，这将使工作于反向偏置的器件，如稳压二极管和变容二极管等无法工作。

此外它还常常伴随有沟道漏电、阈值电压漂移等其它表面效应，从而降低了半导体器件和集成电路的成品率和可靠性。对P－N结击穿电压蠕变的研究，有助于深入理解热载流子向二氧化硅中的注入，氧化物陷阱对热载流子的俘获等问题；并可提高半导体器件与集成电路的成品率和可靠性。

P－N结击穿电压蠕变的研究主要集中于两个方面：一是产生击穿电压蠕变的机理或击穿电压蠕变的物理模型；另一是消除或减弱击穿电压蠕变的工艺方法。前者是后者的理论基础，而且通过后者来检验其正确性。

关于击穿电压蠕变产生的机理的演变过程可以分成两个大的阶段，即定性理论和定量理论阶段。

定性理论阶段(1965～1976) 在此阶段内，关于击穿电压蠕变产生的机理主要有3个物理模型：

格罗夫(A．S．Grove)等提出的氧化物中正离子(例如钠离子)再分布模型。他们在研究与P+区有联系的沟道电流时，发现P+－N结雪崩前后的反向击穿特性有很大的变化，沟道电流减弱。他们认为发生雪崩击穿时，通过结的电流较大，可使结的温度上升。

氧化物中的可动正离子在一定温度下，受边缘电场的作用在氧化物中发生再分布，使击穿电压增长。

古特洛(R．W．Gurtler)提出的氧化物正负两种电荷再分布模型。他认为氧化物中包含正负两种电荷，但正电荷的数量超过负电荷。在发生雪崩以前它们是均匀分布的；发生雪崩时电流变大，温度升高，在电场作用下，正负电荷发生再分布削弱表面电场，增大了击穿电压而发生击穿电压蠕变。

他所测得的蠕变恢复激活能为0．35eV。而不同于钠离子在SiO₂中发生再分布的激活能为1．05～1．35eV。古特洛将这种差异解释为钠离子沿平行于界面方向和垂直于界面方向漂移时，所对应的激活能不同所致。

申克(J．F．Schenck)提出的热载流子注入模型。

他认为在雪崩击穿过程中，热载流子注入SiO₂中，中和原来电应力感生的电荷，减弱表面电场造成击穿电压蠕变。

在这3种定性模型中，前二者基本上是一致的，都归结为氧化物中电荷的再分布，但具体的电荷有些不同。

第3种模型认为热流子向SiO₂中注入是造成蠕变的根本原因。基于上述情况，人们普遍认为雪崩时，氧化物中电荷再分布和载流子向SiO₂中的注入是造成击穿电压蠕变两个相互独立的因素。

定量理论阶段(1977～) 这个阶段的3个理论模型都是围绕着热载流子向SiO₂中注入的机理进行的。原因是近些年来随着半导体工艺的不断改进，氧化物中的离子沾污和固定电荷数量已能很好地控制。氧化物电荷再分布模型已失去了现实意义。

沃威定量理论模型。1977年沃威(J．F．Verwey)等提出的定量理论模型解释了击穿电压蠕变量△BV随时间t变化的规律。此模型的基本假设是：(1)表面雪崩产生的电子空穴对中只有一种载流子能注入到SiO₂中；(2)注入的氧化物电流为界面处氧化物电场的指数性函数；(3)击穿电压BV是栅压V_G的线性函数；(4)在氧化物中被陷阱的电荷仅限于发生雪崩区的上部；(5)氧化物中沿着和界面垂直的方向上，陷阱的电荷是均匀分布的；(6)在氧化物中只有很少部分陷阱被载流子占据。

将根据上述假设导出的△BV-t特性与实验结果对比，发现在t值居中的范围内理论与实验结果符合较好，但在t值较大和较小的范围内，理论与实验结果偏差很大。

萨拉斯瓦特(K．C．Saraswat)定量理论模型。萨拉斯瓦特等于1978年提出的击穿电压蠕变模型所基于的物理过程基本上与沃威理论相同，但有其不同处：一是对发生蠕变的分过程所采用计算公式与沃威不同，二是考虑了电子、陷阱在SiO₂中的分布及其来源，认为是氧化物中的水关联陷阱。此理论与实验符合得较好，然而只有已知氧化物电流密度Jox(t)的函数形式时才可计算出△BV的大小。

陷阱饱和理论模型。1979年郭维廉针对沃威理论在大t值范围与实验结果偏差较大，和萨氏理论只有已知Jox(t)函数形式的前提条件下才能得出△BV(t)具体解析表达式(而且假定Jox(t)是可积的)的问题，建立了击穿电压蠕变陷阱饱和理论。

此理论为：在实际情况下沃威的第6点假设常与事实不符，即当陷阱密度较小而雪崩后注入的热载流子数目较大时，载流子填充陷阱的几率将随时间的增加而减少。设可被填充的陷阱数目随时间的增长作指数性的减少。陷阱饱和理论不仅克服了以上两种理论存在的缺点，而且还定义了描述击穿电压蠕变的3个基本参量，从而使击穿电压蠕变理论完整化和系统化。

根据以上所述的击穿电压蠕变产生的机理，以P⁺－N结为例消除蠕变的方法有：(1)减少或补偿SiO₂中的可动离子或固定正电荷(因正电荷提供了表面雪崩和硅中电子向SiO₂注入的电场)，具体工艺方法有磷硅玻璃、HCl氧化、聚酰亚胺钝化，背面扩金工艺等；(2)减少水向SiO₂中的扩散，清洗后彻底烘干，以减少SiO₂中的水关联陷阱密度；(3)采用半绝缘的掺氧多晶硅对器件钝化，使钝化介质层中不带任何电荷。

关于击穿电压蠕变目前有待进一步研究的问题有：(1)关于蠕变产生的机理是二元的还是一元的问题，因为SiO₂中的正电荷有利于发生表面雪崩和电子向SiO₂中的注入，而且古特洛测得的0．35eV激活能恰好与水关联陷阱的激活能值相等，有待进一步研究；(2)水关联陷阱与蠕变的直接对应关系还有待以更深入的研究来证实；(3)新的更为有效地消除击穿电压蠕变的方法也有待进一步研究。

。【参考文献】：

1 Grove A S,et al. IEEE Trans. Electron Devices, 1965,12: 619～626

2 Schenck J F. 6th R. Phys Symp Proc,1967,31～ 39

3 Gurtler R W. IEEE Trans. Electron Devices, 1968,15: 980～986

4 Verwey J F,et al. Solid-state Electronics, 1977, 20:689 ～ 695

5 Saraswat K C, et al. Solid-State ELectronics, 1978, 21: 813～819

6 郭维廉．半导体技术，1979；(1～2)∶20～30

7 郭维廉．硅一二氧化硅界面物理(第1版)．北京：国防工业出版社，1982，176

8 Guo W L，et al．IEEE Trans．Electron Devices，1987，34∶1788～1794

(天津大学郭维廉教授撰；万良风审)