超薄柵PMOS器件熱載流子和NBTI效應(yīng)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，MOS器件特征尺寸按比例不斷減小，導(dǎo)致熱載流子效應(yīng)日益嚴(yán)重。近三十年來，MOS器件熱載流子效應(yīng)的研究已經(jīng)成為了CMOS可靠性問題的重要研究課題。本論文中，根據(jù)MOS器件熱載流子退化的基本過程，對超薄柵深亞微米MOS器件熱載流子應(yīng)力下的缺陷表征，缺陷作用，器件退化特性和物理機制等可靠性問題進行了實驗和理論研究。同時還引入NBTI(負(fù)偏壓溫度導(dǎo)致不穩(wěn)定性)這一導(dǎo)致PMOS可靠性更嚴(yán)重退化的效應(yīng)。 通過在不同

2、柵壓應(yīng)力下PMOS器件退化狀況，我們可以發(fā)現(xiàn)對于超薄氧化層PMOS器件，無論是最大柵電流還是最大襯底電流都不能表征PMOS器件最嚴(yán)重的退化狀況，它很大程度上取決于柵壓應(yīng)力的大小。并且我們提出用正向和反向量測模式的差異來評估熱載流子效應(yīng)對漏端和有效溝道長度造成的退化程度，這樣可以很直觀地評估造成PMOS熱載流子效應(yīng)最嚴(yán)重退化的應(yīng)力條件。 由于直接表征熱載流子應(yīng)力下產(chǎn)生缺陷的重要性，我們提出采用固定高電平的CP(電荷泵)方法表征PM

3、OS器件熱載流子應(yīng)力下氧化層電荷產(chǎn)生的方法，并通過實驗驗證。這種方法給出P溝MOS器件熱載流子應(yīng)力下產(chǎn)生氧化層正電荷的對數(shù)時間關(guān)系的直接實驗證據(jù)。另外我們基于CP方法和DCIV(直流電壓電流)兩種常用測量方法，應(yīng)用一種提取熱載流子應(yīng)力下在溝道區(qū)和漏區(qū)產(chǎn)生的界面陷阱密度的方法。這種方法克服了器件尺寸減小后CP方法和DCIV方法各自的不足，成功的分離和確定了超薄柵N溝MOS器件熱載流子應(yīng)力下在溝道區(qū)和漏區(qū)產(chǎn)生的界面陷阱。避免了DCIV方法測

4、量界面陷阱時需要確定復(fù)雜參數(shù)的問題，可以直接由實驗測量結(jié)果得到。實驗結(jié)果證明這種方法簡單有效，為進一步研究器件熱載流子退化機制提供了有效的表征手段。在準(zhǔn)確表征熱載流子應(yīng)力下產(chǎn)生缺陷的基礎(chǔ)上，我們提出了一種新的方法，用于分離和確定界面陷阱和氧化層電荷對MOS器件閾值電壓漂移的退化作用，并通過實驗驗證。這種方法可以準(zhǔn)確有效的定量確定界面陷阱和氧化層電荷對器件退化的貢獻大小。 我們發(fā)現(xiàn)在熱載流子應(yīng)力下，由于產(chǎn)生界面陷阱和氧化層電荷分布

5、的非均勻性，決定器件退化的主要是界面陷阱和氧化層電荷分布的峰值，而不是平均值。在此基礎(chǔ)上提出閾值電壓和飽和電流的退化模型，并且通過實驗和模擬進行了驗證。進一步研究了原生缺陷對器件初始特性起伏的影響，發(fā)現(xiàn)器件初始特性起伏與器件初始界面陷阱密度之間的關(guān)系，與我們提出的器件退化模型是一致的。 對P溝MOS器件在不同應(yīng)力模式下的退化特性與機制進行了研究與比較。P溝和N溝MOS器件的飽和電流退化都與應(yīng)力時問成冪指數(shù)關(guān)系，但是相應(yīng)的斜率n的

6、大小不同。對于柵氧化層厚度為4nm的MOS器件，熱載流子退化的主要機制都是界面陷阱產(chǎn)生，但是氧化層電荷對器件退化的影響也不能忽略。 對不同柵氧化層厚度、不同溝長的P溝MOS器件在不同熱載流子應(yīng)力模式下的界面陷阱和氧化層電荷產(chǎn)生特性進行研究。我們發(fā)現(xiàn)P溝MOS器件熱載流子應(yīng)力下的界面陷阱主要由兩種競爭的產(chǎn)生機制決定，而P溝MOS器件熱載流子應(yīng)力下的氧化層電荷產(chǎn)生分為兩過程：在應(yīng)力初始階段，氧化層負(fù)電荷起主要作用，當(dāng)應(yīng)力時間增加到足

7、夠長后，產(chǎn)生的氧化層正電荷占主導(dǎo)作用。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)界面陷阱與氧化層正電荷之間確實存在與應(yīng)力電壓、溝道長度無關(guān)的統(tǒng)一關(guān)系，證明界面陷阱和氧化層正電荷的產(chǎn)生機制相同。同時溝道熱空穴致氫解吸附模型對MOS器件尺寸減小到深亞微米時Vg=Vd和Vg=Vd/2兩種應(yīng)力模式下退化的新特點，即最差應(yīng)力模式的問題進行了解釋。 最后本文還初步研究了造成PMOS器件退化更為嚴(yán)重的NBTI效應(yīng)，引入了NBTI壽命預(yù)測模型，總結(jié)了不同工藝下PMOS器件N