（微电子学与固体电子学专业论文）mosfet热载流子退化效应的研究.pdf

电子科技大学博士论文 临 界电 场e , ;, 、 有 效 导电 长 度l 。 以 及 退 化 参 数h , m和n 的 提 取 。 概 述了 电 路 可 靠性 模 拟软 件b e r t 2 .0 的c a s ( c i r c u it a g in g s i m u la t o r ) 模 块的 基 本原 理; 并以 十一级环振为例， 运用b e r t 2 .0 进行了其中各个器件和总的电路寿 命的预测。 此外， 还利用普通静电加速器进行了m o s f e t的电 子辐射实验， 并提出了运用电子辐射实验预测器件寿命的 方法。 最后，根据热载流子效应所p 致的mo s器件性能参数的退化和其在模 拟和数字运用环境下的 特点， 分别提出了 抗热载流子退化的 模拟和数字电 路 结构。 即在受热载流子退化效应较严重的n - mo s f e t 漏极串联一肖 特基二极 管的新型c mo s数字电路结构和串 联一工作于线性区的常开n - mo s f e i ， 的 m o s 模拟电 路结构。 经s p i c e 及电 路可靠性模拟软件b e r t 2 .0 对倒相器的 模拟结果表明:新型c m o s数字电 路结构结构使衬底电 流降 低约5 0 % ， 器 件的热载流子退化效应明 显改善而不会增加电 路延迟; 且该电 路结构中肖 特 基二级管可在n m o s f e t 漏极直接制作肖 特基金半接触来方便地实 现， 工艺 简单又无须增加芯片面积。而串联常开 n - m o s f e t的模拟电路结构可使 n - m o s f e t输出电 阻的 退化大为减小同时还可改善器件小尺寸效应引 起的 输出电阻下降; 采用该结构的c m o s 运放与未采用的相比， 其十年工作后增 益的退化由2 3 % 下降为1 0 % 。 可见新的电 路结 构大大降 低了 热载流子效应导 致的电路寿命的下降，从而得到了m o s电 路热载流子退化的解决方案。 对 抗 热 载 流 子 退 化的m o s 器 件l d d ( l ig h tl y d o p e d d r a in ) 结 构 及 栅 氧 化 层 加 固 技 术 也 作 了 简 单 的 介 绍 。 犷 关 键 词 : ， 。 米 um o sfet ， 热 载 彩 ， ， 赢可 杯。 化 ， 、 命，衬底电流， 口 电路结构 _ _* 0 一 一一 i n t h i s p a p e r , b a s e d o n t h e p h y s i c a l m e c h a n i s m s o f h o t - c a r r i e r d e g r a d a t i o n o f s m a l l d i m e n s i o n a l m o s f e t， t h e mo s f e t c h a r a c t e r i s t i c s d e g r a d a t i o n i n d u c e d b y t h e h o t - c a r r i e r e ff e c t a r e d e e p l y s t u d i e d a n a l y t i c a ll y a n d e x p e r i m e n t a l l y , t h e m e t h o d to p r e d i c t t h e l i f e t im e o f d e v i c e s a n d c i r c u i t s is g i v e n a n d m o s d i g i t a l a n d a n a l o g c i r c u i t s t r u c t u r e s f o r th e r e s i s t a n c e o f h o t - c a r r i e r d e g r a d a t i o n a r e p r e s e n t e d . f i r s t , t h e s c a l i n g l i m i t a t i o n a n d r e l a t i v e r e li a b i li t y p r o b l e m s a r e a n a l y z e d f o r m o s f e t i n v l s i , e s p e c i a ll y f o r h o t - c a r r i e r e ff e c t s o f s m a ll d im e n s i o n m o s f e t . a n d a r e v i e w o f t h e s t u d y o f h o t - c a r r i e r e ff e c t s o n d e v i c e s a n d c i r c u i t s is p r e s e n t e d . a c c o u n t f o r t h e h i g h e l e c tr i c a l fi e l d i n d u c e d f r o m th e h i g h a p p l i e d v o l t a g e r e l a t i v e t o s m a ll d i m e n s i o n d e v i c e , t h e m e c h a n i s m o f h o t - c a r r i e r g e n e r a t i o n i s a n a l y s e d , t h e s i - h b o n d b ro k e n m o d e l f o r h o t - c a r r i e r i n j e c t i o n a n d i n t e r f a c e s t a t e s g e n e r a t i o n i s d e d u c e d a n d t h e s u b s t r a t e c u r re n t m o d e l i s d e v e l o p e d . a l s o , th e d e g r a d a t io n s o f n - m o s f e t a n d p - m o s f e t a r e c o m p a r e d a n d t h e i n c r e a s e o f d e l a y - t i m e i n d u c e d b y d e v i c e d e g r a d a t io n i s r e p r e s e n t e d b y i n t r o d u c i n g t i m e - i n d e x , a n d t h e s a t u r a t i o n e ff e c t a n d t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r is t i c s o f d e v i c e d e g r a d a t i o n a r e d e s c r i b e d . c o n s i d e r i n g t h e u n s y m m e t r i c a l d i s t ri b u t i o n o f i n t e r f a c e s t a t e s in d u c e d b y h o t - c a r r i e r e ff e c t s a l o n g t h e c h a n n e l , t h e q u a s i - tw o - d i m e n s io n a l a n a l y s i s m e t h o d s a r e u s e d t o d e d u c e d t h e d r a i n c u r r e n t , t h r e s h o l d v o l ta g e a n d e l e c t r i c a l fi e l d i n c h a n n e l a ft e r h o t - c a r r i e r d e g r a d a t i o n a n d t h e t h e o r e t i c a l r e s u l t s a r e f u l l y v e r i f i e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a n d m i n i m o s 6 . 0 s i m u l a t i o n o u t p u t . t h e d e g r a d a t i o n s o f d e v ic e o u tp u t c o n d u c t a n c e , s u b t h r e s h o l d c o n d u c t i o n a n d r f c h a r a c t e r i s t i c s a re a ls o a n a l y z e d . i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e th e e ff e c t o f h i g h - f i e l d h o t - c a r r i e r o n d e v i c e s a n d c i r c u i t s , t h e e l e c t r i c a l s t r e s s e x p e r im e n t i s c a r r i e d o u t w i t h 1 .2 u m . 1 .0 u m a n d 0 .8 i l m c h a n n e l l e n g th h o m e - m a d e m o s f e t s b y t h e m o n i t o r s y s t e m w i t h a t e a n d c a t t e c h n o lo g y . b y u s i n g t h e fr e s h a n d d e g r a d e d e x p e r im e n t d a t a , b s i m 2 m o d e l p a r a me t e r s a r e e x t r a c t e d . t h e d e g r a d a t i o n a n d l i f e t i m e m o d e l i s d e e p l y d i s c u s s e d , d y n a m i c a n d s t a t i c 一一一t t 4主 l 生i t dz一一一一一一一一一一一 s t r e s s s u ff e r e d b y d e v i c e s a n d c i r c u i t s a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d . a m o d i f i e d m o d e l f o r l c i s p r o p o s e d f o r b e t t e r fi tt i n g t h e e x p e r i m e n t a l d a t a a n d t h e s u b s t r a t e c u r r e n t m o d e l p a r a m e t e r s e , a n d l c， d e g r a d a t i o n h, m, n a r e e x t r a c t e d b y t h e s t a t i c s t r e s s e x p e r i m e n t r e s u l t s . a l s o , t h e p r i n c i p l e o f c a s m o d u l e o f t h e r e l i a b i li ty s i m u l a t o r b e r t 2 .0 i s g iv e n a n d a 1 1 s t a g e r i n g o s c i ll a t o r i s u s e d a s a n e x a m p l e f o r b e r t t o p r e d i c t t h e l i f e t i m e o f d e v i c e s a n d c i r c u i t s . t h e e l e c t r o n r a d i a t i o n e x p e r i m e n t f o r m o s f e t s i s d o n e w i t h g e n e r a l l i n e a r a c c e l e r a t o r a n d t h e s im p l e m e t h o d t o p r e d i c t t h e d e v i ce l i f e t im e 勿 t h e e l e c t r o n r a d i a t i o n e x p e r i m e n t i s g iv e n . f i n a l l y , a c c o r d i n g t o t h e m o s f e t s p a r a m e t e r d e g r a d a t i o n d u e t o h o t - c a r r i e r e ff e c t s a n d d i ff e r e n t a p p li c a t i o n e n v i r o n m e n t o f mo s d e v i c e s o n a n a l o g a n d d i g i t a l c i r c u i t s , t h e c i r c u i t s t r u c t u r e s f o r h o t - c a r r i e r i m m u n i ty a r e p r o p o s e d f o r d i g i t a l a p p l i c a t i o n s b y a d d i n g a s c h o tt k y d i o d e i n s e r i e s w i t h t h e d r a i n o f th e n m o s f e t s u ff e r e d h e a v i l y fr o m h o t - c a r r i e r d e g r a d a t i o n . , a n d f o r a n a lo g a p p l i c a t i o n s b y a d d i n g a n o r m a l l y - o n n m o s f e t i n s e r i e s w i t h t h e n - mo s f e t i n a n a n a lo g c i r c u i t r e s p e c t i v e l y . a c c o r d i n g t o s p i c e 3 f 5 a n d b e r t 2 .0 s i mu l a t i o n r e s u l t s , t h e s u b s t r a t e c u r r e n t o f n e w s t r u c t u r e c mo s i n v e r t e r i s s u p p r e s s e d t o a b o u t 5 0 % o f i t s o r i g i n a l v a l u e a n d g o o d h o t - c a r r i e r s r e s i s t a n t b e h a v i o r s a r e o b t a i n e d w i t h o u t a d d i n g a n y e x t r a d e l a y . a l s o , b y u s i n g t h e h o t - c a r r i e r i m m i u n i ty a n a l o g c i r c u i t s t r u c t u r e , t h e o u t p u t r e s i s t a n ce d e g r a d a t i o n c a u s e d 勿 t h e h o t - c a r r ie r d e g r a d a t i o n i s d e e p l y s u p r e s s e d a n d t h e s m a l l - d i m e n s i o n a l e ff e c t c a n b e i m p r o v e d s h o w n b y t h e s p i c e 3 5 s i m u l a t i o n r e s u l t s , a n d t h e g a in d e g r a d a t i o n o f a c m o s o p e r a t i o n a m p l i f e r a f t e r 1 0 y e a r s o p e r a t i o n d e c r e a s e s fr o m 2 3 % t o 1 0 % w i t h t h i s s t r u c t u r e a c c o r d i n g t o b e r t 2 .0 s i m u l a t i o n . t h e r e f o r e , t h e s o l u t i o n t o t h e h o t - c a r r i e r d e g r a d a t i o n o f m o s c ir c u i t s i s o b t a i n e d . t h e o t h e r h o t - c a r r i e r i m m u n i ty t e c h n i q u e s s u c h a s l d d ( l i g h t l y d o p e d d r a i n ) s t r u c t u r e a n d g a t e o x i d e h a r d e n i n g a r e a l s o d e s c r i b e d . k e y wo r d s : d e e p - s u b m i c r o m e t e r m o s f e t , h o t - c a r r i e r ,s t a t e s , r e l i a b i li ty , d e g r a d a t i o n , l i f e t i m e , s u b s t r a t e c u r r e n t , c i r c u i t s t r u c t u r e 第一童 绪论 第一章 绪论 随着 v l s i 技术的飞速发展， 硅集成电 路工艺己 进入以亚微米乃至深亚 微米特征尺寸为主的产品生产阶段。制造工艺的技术进步极大地提高了 v i s i 质量和性能，同时大大降低了单个芯片的工艺成本，推动了 集成电路 产品的普及， 带来了以v l s 班j l s i 为基础的电子信息革命。 构成v l s i 几 j l s i 的 基础 器件是 金 属 氧化物 场效 应晶 体管 ( m o s f e t ) ， 其 尺 寸的 缩小 是 基于 1 9 7 4 年d e n n a r d 提 出 的 按比 例 缩 小 ( s c a lin g - d o w n ) 的 原 则 il l 。 然 而 ， 在m o s 器件尺寸等比例缩小的同时，为了与外部电路系统匹配， 另一方面也是作为 减小 延迟的 需要(2 1器 件电 压并 未能 随 之等比 例 缩小， 沟道电 场有明 显增高 的 趋势。高场使得热载流子的 形成几率大大 增加， 热载流子会在 s i - s i 0 2 界 面产生界面态， 或被栅氧化层中的电 荷陷阱俘获， 导致诸如阂值电 压、 跨导 和 线 性区 及 饱 和区 漏电 流 等一 系 列 器 件 特 性的 退 化。 研 究 表明 (3 1 ， 深 亚 微 米 m o s 器件 ( 例如有效沟道长度l a = 1 1 5 u n ) 在漏偏置电 压低至1 .8 v时， 仍会出现热载流子现象。因 此即使器件的工作电压大幅度减至 2 v ，仍不足 以 有效地防止热载流子引入的器件损伤， 对深亚微米器件中热载流子效应的 研究必须高度重视。热载流子效应已 成为限制v i s i 电 路最大器件密度的主 要可靠性因素之一。 1 . 1 选题依据及研究价值 本论文为m o s f e t 热载流子退化效应的 研究， 来源于国家自 然科学基金 项目“ v l s i / u l s i 可靠性监侧与 模拟” ， 表明了 该项研究的重要性和迫切性。 随着信息社会的到来， 以小尺寸mo s器件为基础的v l s i / u i s i 在各领 域中得到了广泛的应用. 由于减小器件尺寸可以显著地提高超大规模集成电 路的工作速度，减小其功耗并增加集成度，自6 0 年代中 期c m o s 集成电 路 技术问世以 来，m o s f e t的沟道长度每3 年便减少7 0 % ， 现在c m o s 集成 电子科技大学博士论文 电路工艺中mo s f e t的有效沟道长度已 达到0 .1 8 . m左右， 在芯片的功能越 来越复杂的同时， 所导致的可靠性问 题也越来越突出。 如: 热载流子效应， 超薄栅介质击穿，静电 放电，电 迁移， 辐射效应， c mo s 电 路的闭 锁效应， 存储器的a 软实效等。 其中与器件特征尺寸缩小密切相关的热载流子效应尤 其重要卜 司 。 随着器件尺寸的不断缩小， 单位面积内电场强度和电流密度激增，高场 使得热载流子的形成几率大大增加， 这些热载流子具有相当高的能量， 可以 克服s i - s i o 2 界面势垒进入栅氧化层， 诱生大量的s i - s i o 2 系统界面态， 导致 阐值电压漂移，漏电 流降低， 还将产生衬底电流、 姗极电流等非工作电流， 使器件性能退化， 以 致最终失效， 引起所谓的“ 热载流子产生的可靠性问 题” 。 因而热载流子可靠性问题将阻碍v l s i / u l s i 器件及电路的 进一步发展， 迫切 需要对其展开深入研究， 寻求切实可行的可靠性预测与评估手段， 并及时把 可靠性信息反馈到电 路/ :b 件的设计、 制造中去， 降低乃至消除这些不良 机制 的影响。 这一课题给微电 子可靠性研究者提出了新的 挑战， 并已 受到各大半 导体公司和高校该领域研究人员的 密切关注和重视， 热载流子失效 机理、 可 靠性物理及模拟监测和抗热载流子可靠性工程对策已成为世界范围的研究 热点7 1 8 9 ) 传统的可靠性测控技术拘泥于 “ 事后行动”的局限，已 远远不能适应现 代v l s i 电 路系统高复杂度、高密度发展趋势的需要，急待探索新的可靠性 技术手段。基于内建可靠性的设想，采取事前行动，对 v l s i 电路器件进行 可靠性监测与模拟，再将所得可靠性反馈到先行设计中去，在v l s i 设计的 电 路验证阶段进行可 靠性验证， 提高一次投片的成功率， 减低了 设 计成本， 提高了电 路系统的 可靠性， 使其性能得到优化。 虽然对 m o s器件中的热载流子效应对集成电路的可靠性预测己 取得了 很大的进展， 但还有很多的问 题有待深入的探讨。 如目 前对多机理退化所导 致的 综合可 靠性问 题还需 进行深入 研究 1 o ) ; 对m o s f e t热 载流子 效应仅考 虑其直流特性的 退化， 而没有计入各端电 容特性的 退化， 这必然对模拟及数 模混合电 路的 退化 特性 预测产生 较大的 误 差 ii i ) ; 对m o s 器 件r f 特性 退化 第一章 绪论 的 研究也 才刚 开 始 ( 12 1 ; 而 对 大 规 模 集 成电 路中 难以 确 定 退 化 最 严 重的 少 数 器 件则影响了热载流子可靠性的预测及电路设计的改进。 二十一世纪是电 子信息化的社会， 而 v l s i / u l s i 是电 子信息技术的基 础， 必将持续飞速发展， 亚微米、 深亚微米m o s 器件的 热载流子退化效应， 是制约v l s i / u l s i 发展的一个关键性问 题， 研究v l s i / u l s i 的 器件热载流 子可靠性， 将对整个电 子信息领域产生很大的影响。 本论文采用以实 验数据 为基础的理论建模和计算机数值模拟相结合的 方法来 研究深亚微米m o s 器 件的热载流子退化效应， 是一种成本低、 符合目 前国内 条 件的一种有效手段。 本论文工作将为进一步开展对v i s i / u l s i 的可靠性研究起积极的作用， 并且 文中所涉及的深亚微米 m o s器件物理模型、电 路模拟仿真及器件的测试技 术也是v l s v u l s i 研究中的关键性问 题。 1 . 2 国内外研究动态 八十年代，随着微电 子器件不断地按比 例缩小， 考虑到与外围电 路匹 配及电 路速度等问题，电 源电压并不能按照相应比 例缩小。 因而器件内的电 场大为增强，人们开始认识到高电 场下的热载流子问题的严重性。 尤其是 m o s器件中 热载流子 对姗氧化层的 注入 将产生 界 面陷阱 及 氧化层电 荷， 使 器件的电 学特性发生改变， 极大地影响了 集成电 路的 长期可靠性及寿命。 但 当时对 m o s f e t热载流子问 题的 研究仅限于物理机理及单个器件的 热载流 子 效 应 ， 较 有 代 表 性 的 是b e r k e le y 的s i - h 键 断 裂 模 型 115 1 和i b m的l d d 器 件结 构研卿1 4 1 。 进入九十 年代后， 热载流子 效 应的 物理本 质已 经较为 清晰， 则研究集中体现在器件热载流子效应对集成电 路的寿命及可靠性影响，如 b e r k e l e y的 用于 集 成电 路可 靠 性的 模 拟软 件b e r v51 及 其 商 业 版 本b e t a b e r t 。 对m o s 器件中的热载流子退化寿命及可靠性的预测， 已开始进入了 实用阶段。 如今， 集成电 路的可靠性模拟与预侧己 为 集成电 路设计技术带来 了突破性的变革， 并导致整个集成电路及系统“ 内建可靠性” 的产生与发展。 目前国际上热载流子效应的主要研究内容有以下几个方面:( 1 ) 热载流 电子科技大学博士论文 子及其产生的陷 阱 的 确认 和建 模1 6 1 . ( 2 ) 各种陷阱电 荷的 能 量分 布和空间 分 布与时间 的 关系 7 . ( 3 ) 深亚微米m o s 器 件和电 路的退 化在静态 和动态 应 力下所呈现的 独特性质， 以 及相应的模型建立 81 . ( 4 ) 寻找能够消弱热载流 子陷阱 效应的新型 器件结构和电 路设计方 法 1 9 2 0 1 ，即 通过设计新的 工艺 条 件、改进器件几何结构和掺杂剖面、 优化电 路结构的设计， 对现有的m o s 器件结构和电 路实现抗热载流子加固，以 保证系统的长期可靠性， 例如目 前 深亚 微米的 槽 栅c m o s 结 构 可以 有 效 抑 制 热 载 流 子的 影响 。 而p in g 等人 对 6 4 m存储器的 研究 表明 2 1 1 : 电 路结构的 选 择是决 定v l s i 热载流子 退 化的 关 键因素。 因而在大规模电 路中 先找到退化的关键电 路单元然后进行可靠性加 固设计是热载流子效应的研究成果走向实用化的关键，因而倍受重视。 不仅 如此， 考虑热载流子效应与t d d b等各种现象的祸合效应及可靠性设计与成 品率设计相互祸合， 并利用最优化技术对可靠性和成品率进行优化设计， 可 构成先进的v l s i 可制造性设计与 最优化系统。 国内目 前有如西安电子科技大学， 信息产业部第5 研究所等多家单位开 展了 小尺寸mo s f e t热载流子效应的 研究【2 2 1 ， 其研究方向 主要集中 在热载 流子 导 致的 栅 氧 化 层 疲 劳 击 穿 方 面 2 3 12 4 1 1 . 3 本文的主要创新之处 本文从mo s 器件热载流子退化物理机理的 分析出发， 对器件热载流子 退化所导致的性能退化进行了 深入的理论分析和相应的实验研究， 发展了 表 征器件性能退化的 衬底电 流和器件的 退俗寿命参数提取模型，给出了 预测 m o s器件和电 路热载流子退化寿命的方法，并提出了 抗热载流子退化的 mo s 模拟和数字电 路结构。 论文的主要创新之处可总结为以下几个方面: 1 、 对mo s 器件热载流子退化所导致的电路延迟时间增加引入了“ 时间 因 子 一i/c = 1 t 七芯 ， = vf 对阐值电 压和沟道纵向电场也进行了理论推导， 得到了物理 意义明确且简单明了的解析式，其结果通过二维器件数值模拟软件 mr 4 1 mo s 6 . 0 得到了很好的验证。 3 , 、 采用自 动测试与c a d技术相结合的监测系统， 对国内 沟道长度1 .2 u m , 1 . 0 u m和 0 .8 a m的m o s f e t 进行了电 应力退化实验， 并根据实验结 果准确提取了退化前后器件的 b s i m 2模型参数并使其能运用于电 路模拟软 件s p i c e 3 5和电路可靠性模拟软件b e r t 2 . 0 . 4 、 根 据电 应力 实 验结 果 对衬 底电 流 模 型中 有 效 导电 长 度l 。 与 栅 压的 关 系 进 行了 修 正 ， 得 到了 l 。 与 v g s4 成 线 性 关 系 的 结 论。 5 通 过 运 用 普 通电 子 静 电 加 速 器 对1 lm n 沟m o s f e l ， 在 未 加 偏 压 条 件 下的 辐射实 验， 得到了 产生的界面态密度与 辐射剂量的关系， 从而得到确定 m o s 器件热载流子退化寿命的快速而简便的方法。 6 、根据mo s f e t衬底电流与过饱和电 压成指数关系的原理， 提出了 在 受热载流子退化效应较严重的 n - mo s f e t漏极串联一肖 特基二极管的新型 c m o s数字电 路结构并通过了s p i c e及电 路可靠性模拟软件b e r t 2 . 0 模拟 验证。 7 、 根据热载流子效应所导致的m o s 器件性能参数的退化和其在模拟运 用环境下的特点，提出了选择电路中遭受热载流子退化最为严重的 n - m o s f e t 漏极串 联一工作于线性区的常开n - m o s f e t 的m o s 模拟电 路结 构， 经s p i c e 及b e r t 2 9的 模拟仿真， 该结构可使n - m o s f e t输出电 阻的 退化大为减小从而改善模拟电路的性能退化。 电子科技大学博士论文 1 .4 本文的主要章节安排 第一章讨论了目 前超大规模集成电路中m o s器件尺寸缩小的限 制及相 应高电 场下的热载流子可靠性问 题， 得出了 本论文工作的选题依据和意义。 介绍了目 前国内 外对m o s 器件和电 路中热载流子效应的 研究现状。 总结了 本文的创新之处并对本论文的章节安排作了 介绍。 第二章在分析小尺寸m o s f e t 热载流子产生机理的基础， 导出了 热载流 子注入所引 起的界面态的s i 一 健断 裂模型， 并建立了 表征器件热载流子效 应的衬底电流模型。 对p 沟和n沟m o s f e t的退化进行了比 较讨论，对于 器件退化导致的电路延迟增加则引入了“ 时间因子”的 概念来加以明 确的表 征。另外，分析概述了器件退化的饱和效应和温度特性。 第三章推导出了 热载流子退化后包含串 联电阻、 载流子速度饱和非均匀 分布界面态的漏电 流模型，采用准 二维分析方法对退化后器件的阐值电压 和沟道纵向电 场进行了 理论推导， 并分别与实验结果和器件二维数值模拟软 件m ini m o s 6 .0 的 计算结果进行了 验证比 较。 对器件的 输出电 导、亚阂区 导电和r f 等特性的热载流子退化，也作了相应的分析。 第四章详细介绍了小尺寸m o s f e t的b s i m 2 模型参数，采用自 动测试 与c a d技术相结合的 监测系统， 对国内 沟道长度1 .2 p m , 1 .0 1 1 m和 0 . 8 u i n的mo s f e t进行了电 应力退化实验，并根据实验结果提起了 退化前后器 件的b s i m 2 模型参数。 第五章对 m o s f e t的 寿命与退化模型和器件所受的动态和静态应力进 行 了 分 析 讨 论 ; 对 衬 底 电 流 模 型 中 有 效 导 电 长 度 l 。 与 v 1 , 的 关 系 根 据 实 验 结 果 作了 修 正; 进 行了 衬 底电 流 模 型中 载 流 子 速 度饱 和临 界电 场e;, 、 有 效 导 电 长 度l 。 以 及 退 化 参 数h , m 和n 的 提 取; 概 述了电 路 可靠 性 模 拟软 件b e r t 2 .0 中c a s ( c i r c u it a g i n g s i m u l a t o r ) 模 块的 基 本原 理 并 运用 其 对 二 十一 级 环振中各个器件和总的电 路寿命进行了 预测。 此外， 还利用普通直线加速器 进行了m o s f e t的电 子辐射实验， 并提出了 运用电 子辐射实验预侧器件寿 第一童 绪论 命的方法。 第六章 根据 m o s f e t衬底电 流与 漏电 压的 关系及热载流子效 应所 导 致的m o s器件性能参数的退化，分别提出了 抗热载流子退化的数字和模 拟电 路结构。 即在受热载流子退化效应较严重的n - m o s f e t 漏极串 联一肖 特 基二极管的新型 c m o s数字电路结构和串联一工作于线性区的常开 n - mo s f e t的mo s 模拟电 路结构. 并采用s p i c e 3 5及b e r t 2 .0 分别进行 了 模 拟 验 证。 对 抗 热 载 流 子 退 化 的m o s 器 件l d d ( l i g h tl y d o p e d d r a in ) 结 构 及栅氧化层加固技术也作了相应介绍。 曳 t 4 r t * 竺里主一一一一一一一一 第二章mo s f e t的热载流子退化 2 . 1 mo s 器件尺寸缩小的限制及可靠性物理 mo s 晶体管是超大规模集成电 路的 基础， 为了 提高集成电 路的 性能， 最 有效的措施就是缩小器件的 尺寸。 m o s 沟道长度l缩短后， 对分立器件来 说可以增加工作电 流， 提高工作频率， 对集成电 路来说可以 提高速度， 增加 集成度和减小功耗。 限制器件短沟道化的因素主要有两个方面: 一是工艺上 的限制; 二是电 学上的限制。 所谓工艺上的限制， 是指采用标准的工艺和光 刻技术所能达到的 器件尺寸的限制，目 前在国内， 华晶公司已 经可作到 。 5 微米， 而上海华虹公司的 标准工艺和光刻技术使沟道长度作到0 . 3 5 微米， 并 且国内许多电路设计者也在利用国际先进的工艺技术制作特征尺寸在0 . 5 微 米以下的电路。 而在国外， 许多公司已经采用了0 . 1 8 微米技术来生产微处理 器、 存储器及其他一些高 端产品， 而在研究领域， 栅长为0 .0 4 微米的n m o s 器件己 经被研制成功2 5 1 。 所谓电 学上的限制，是指随着m o s 器件尺寸的不 断 缩小， 单位面积内电 场强度与电 流密度激增， 从 而导致了 一些新的以 及原 来在大尺寸器件中不太突出但现在却至关重要的理论与技术问题。 在亚微米 及 深亚 微米 器件中， 沟道区电 势的 二 维分 布2 6 1高 场热载流子2 7 1薄 栅 氧化 膜的直接隧穿 2 8 1 、 高掺杂沟道区的反型层量子效应2 9 1 、 各种寄生效应如源漏 串 联电 阻等因素强烈的影响着器件的电 学特性、 可制造性和使用寿命。 1 9 7 4 年由 d e n n a r d 提出 了 按比 例 缩 小 ( s c a li n g - d o w n ) 原 则， 其 指 导 思 想 是 在mo s 器件内部电 场不变的条件下， 通过纵、 横向尺寸的缩小，以增加跨 导和减小级联负载电容，由 此可以 大大提高电 路的性能。 同时要求电 源电 压 与尺寸同比 例下降。 这样， 使器件与电 场 有关的 非线性因素 ( 如迁移率) 也 不会因此而改变， 这种缩小规律称为恒场 ( c e ) 律。 恒场 c e )律虽然能极大的改变v l s i 的性能，但当器件的尺寸进入深 亚微米时，需要考虑以 下几个问 题: ( a ) 短沟道效应引起的亚闽特性的变化和阐值电压随沟道长度的剧烈变 第二章mo s f e t的热毅流子退化 化; 伪 姆氧 化层 厚 度t o : 的 最 低限 制; ( c ) 热载流子效应的限 制; ( d ) ia 值电 压v ,h 和漏极电 压v d s 在 考虑噪声不 敏感容限 时的 最 低限 制; ( e ) 寄 生 效 应 如 漏 源串 联电 阻的 影响。 由以上个问题使得器件的缩小有如下限制: ( a ) 为限 制短沟道效应， 传统 器件要 求沟道 掺杂达到 或超 过1 0 , . c m -3 , 由于杂质散 射和载流子迁移率在高横向电 场中变小， 则如此高的 掺杂浓度容 易引起器件性能的严重衰退。 此外， 界面处的高掺杂引起的 载流子受限 严重， 因而使载流子能 级量子化， 从而反过来使阐值电 压v m比 过去的计 算值高。 ( b ) 栅氧化层厚 度己 经大大 缩小到3 n m ， 这已 非常接 近s i 0 2 开 始直接隧 穿 的极限。 ( c ) 由 于 对目 前的 逻辑电 路， 可以 认为闽 值电 压甄为。 3 v是一 个低限， 采用一 个经 验规范v ,h 、 0 .2 5 v d d ， 从而 应该 使v d d 大于1 .。 一1 . 5 v 3 o 1 o ( d ) 由 于 载 流 子的自 热 效 应 3 l ， 使 得工 作电 压 变小 后， 热 载 流 子 效 应 仍 然 影响着器件的寿命。 为此， 在深亚微米下的缩小方案要求栅氧厚度t o x 和v d d 恒定， 同时限制 沟道区的衬底掺杂。 通过以 上分析，对 mo s器件的深亚微米化还可以 在以下几个方面作进 一步的努力: ( 1 ) . 为克 服直接隧穿的问 题， 可采用高介电 常数的 绝 缘 材料代 替 s i o 2 , 以 得到电学上更薄的 栅; ( 2 ) . 加强对栅功函 数的控制，以 更好的 控制v ,e ; ( 3 ) . 因 为非常浅的 结 深将会使得寄生串 联电 阻 增加， 可以 采用一 些方 法 如在源/ 漏扩散区上做硅化物旁路和改进金属化使接触电阻减小。 另外， 虽然单个器件随 着尺寸的 缩小性能得到了改善， 但当器件运用于 v l s i 电路时，随着总的集成规模越来越大， v l s i 的内联线对电路的时间延 迟将起决定性的作用。 为此， 在将来的集成电路中 可以采用铜等低电阻率材 料作为连线材料。 2 .2 mo s f e t的热载流子产生机理 由 于沟道越来越短， 栅氧化层越来越薄，而在工业界，为了 解决电 源兼 容性的问题， 对电 源电压又不可能完全采用c e等比 例缩小， 结果使沟道内 的横向 和纵向电场大大加强。 高场区的载流子从电场获得的能量不能及时通 过散射等途径传递到周围晶格， 导致一部分载流子的能量大于晶 格系统的能 量， 为 此 人 们引 入 载 流 子的 有 效 温 度t 来描 述与 晶 格 系 统不 处 于 热 平 衡 状 态 的载流子， 并称这种状态的载流子为热载流子。 尤其当 半导体晶体中的电场 强 度 大 于好叼 qn以 后， 热 载 流 子的 产 生 将 十分 突出 。 以n m o s f e t 情形为例， 图2 - 1 给出了亚微米mo s 器件中主要的沟道热 载流子效应的微观机理 图2 - 1 . u m o s 热载流子的产生示意图 第一， 沟道方向电 场使导电 载流子加速，并获得高能量，它们在强栅场 作 用 下 越 过s / s 0 2 势 垒 注 入 s i 0 2 层。 一 般 漏 区 附 近 沟 道电 场 最 大 ， 故 注 入 发生 在该区域。如图2 - 1 中a过程。 第二， 在栅电 压较高时， 衬底空间电荷区的纵向电场也很高， 其中的 热 激发电子也可被纵向电场“ 拉入” 栅氧化层中.同时产生的空穴则被扫入衬 底， 形 成 衬 底电 流与 。 如图2 - 1 中b 过 程。 第三，当 沟道夹断，漏区附近较窄的耗尽区上压降很大，横向电 场足以 使得从沟道注入到该区域的部分高能t载流子在漏区附近与晶格碰撞， 产生 第二 童m o s f e t 的热载流子退化 电 子空 穴对， 具 有能克 服s i / s i 0 2 界面 势垒能 量的电 子将注入到栅 氧化层中。 如图2 - i 中c过程。 注 入s i0 2 层 的 热 电 子 ， 一 部 分 由 栅 极 流 出 成 为 栅 电 流 i , ， 剩 下 的 一 部 分 被s i 0 2 中 的 电 子 陷 阱 俘 获