（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米mosfet器件中热载流子效应的研究.pdfVIP

摘要 随着m o s 器件尺寸不断缩小，器件内沟道电场和电流密度激增，高电场 使得热载流子( h o tc a r r i e r ) 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 艮s i - s i 0 2 界面势垒进入栅氧化层，诱生大量的界面态，导 致器件性能退化。本文通过理论分析和计算机数值模拟围绕深亚、超深亚微 米n m o s f e t 器件热载流子产生机理，热载流子引起的器件特性退化等阀题，对 小尺度n m o s f e t 的热载流子效应进行了系统的研究。 首先分析了n m o s f e t 热载流子分类、产生机理、衬底电流的形成、器件性 能退化的饱和特性及温度特性等；继而根据衬底电流的形成理论，建立了使用 于深理、超深亚微米n m o s f e t 的衬底电流模型，并通过计算机数值模拟得到 了衬底电流l 曲随栅压、漏压及器件结构的变化趋势，模拟结果与现有的实验所 得到的规律一致，从而验证了理论模型及模拟的合理性，为以后根据厶曲的变化 预测热载流子效应引起的器件性能退化提供了依据。 器件直流输出特性的退化是热载流予效应的直接体现，本文通过s i - h 键断 裂模型分析了界面态的产生机理及其与器件直流输出特性退化之间的关系，并 模拟得到了不同特征尺寸器件的漏电流退化特性。结果表明漏电流退化随器件 工作区域不同而有所改变，同时直流输出特性的退化也表现出随应力时间的增 长趋于饱和，这将为预测热载流子引起的器件特性退化提供参考。 关键词：热载流子效应，超深亚微米n m o s f e t ，界面态，衬底电流，退化 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lf i e l da n dt h ec u r r e n td e n s i t yn e a rt h e f e t si n c r e a s es h a r p l yw i t hs c a l i n gd o w no ft h ed e v i c e d r a i nr e g i o no fm o s t h eh o t - c a r r i e re f f e c t b e c o m e st oh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h em o s f e t sw i t hs i z ei nd e e ps u b - m i c r o na n du l t r a - d e e ps u b - m i c r o nr e g i o n t h eh o tc a r r i e r sw i t he n e r g yh i 曲 e n o u g hm a yb ei n j e c t e di n t os i 0 2l a y e r ，w h i c hc a u s e st h eg e n e r a t i o no fi n t e r f a c e s t a t e s ，c o n s e q u e n t l yr e s u l t si nt h ed e g r a d a t i o no ft h ep a r a m e t e r so ft h ed e v i c e t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h eh o t - c a r r i e re f f e c to fs m a l ld i m e n s i o nn m o s f e t t h o r - o u g h l yb y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep r o b l e m s ， s u c ha st h em e c h a n i s mo fh o tc a r r i e r sg e n e r a t i o na n dt h ed e v i c ed e g r a d a t i o n ，a r e f o c u s e do n f i r s t l y , t h ec l a s s i f i c a t i o no fh o tc a r r i e r s ，t h em e c h a n i s mo fh o tc a r r i e r sg e n - e r a t i o n t h ef o r m a t i o no fs u b s t r a t ec u r r e n t ，a n dt h es a t u r a t i o ne f f e c ta sw e l la s t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c ed e g r a d a t i o na r ea n a l y z e d t h e nt h es u b - s t r a t ec u r r e n tm o d e li sd e v e l o p e df o rd e e ps u b - m i c r o na n du l t r a - d e e ps u b - m i c r o n n m o s f e t ，b a s e do nt h e t h e o r i e so i ls u b s t r a t ec u r r e n tg e n e r a t i o n b yc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，i ti sg i v e nt h a tt h ev a r i e t yo ft h es u b s t r a t ec u r r e n td e p e n d i n g o nt h e g a t ev o l t a g e ，t h ed r a i nv o l t a g ea n d t h ed e v i c es t r u c t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s a g r e ew e l lw i t ht h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hp r o v e st h a tt h ec o r r e s p o n d - h a gt h e o r i e sa n dt h es i m u l a t i o na r er e a s o n a b l e ，a n dp r o v i d e sw h a tr e l i e so nf o r o n et op r e d i c tt h eh o t c a r r i e rd e g r a d a t i o ni nn m o s f e ta c c o r d i n gt ot h ev a r i e t y o ft h es u b s t r a t ec u r r e n t t h ea p p e a r a n c eo fd r a i nc u r r e n td e g r a d a t i o nm e a n st h ee x i s t e n c eo fh o t - c a r r i e re f f e c t a c c o r d i n gt ot h em o d e lo fh o tc a r r i e r sb r e a k i n gs i - hb o n dt h u s g e n e r a t i n gi n t e r f a c et r a p s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em e c h a n i s mo fi n t e r f a c e 兰州大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t s t a t e sg e n e r a t i o na n dt h er e l a t i o nb e t w e e ni ta n dd r a i nc u r r e n td e g r a d a t i o n ；a n d b ys i m u l a t i o nt h ed i s s e r t a t i o no b t a i n sc h a r a c t e r i s t i c so fd r a i nc u r r e n td e g r a d a - t i o n t h er e s u l t so ft h i sj o bi n d i c a t et h a td r a i nc u r r e n td e g r a d a t i o nc h a n g e sf o r d i f f e r e n tw o r kr e g i o n o nt h eo t h e rh a n d ，d r a i nc u r r e n td e g r a d a t i o nb e c o m e ss a t - u r a t i o na ss t r e s st i m ei n c r e a s e s ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c et op r e d i c td e g r a d a t i o n o fp a r a m e t e r si nm o s f e t si n d u c e df o r mh o tc a r r i e r s k e y w o r d s ：h o t c a r r i e re f f e c t ，u l t r a - d e e ps u b m i c r o n m e t e rn m o s f e t ，i n t e r f a c e s t a t e s ，s u b s t r a t ec u r r e n t ，d e g r a d a t i o n ， v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究 所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点 等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 那钒 日期：挪暑年j 月2 2 日 关于学位论文使用授权声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或 向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大 学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：1 鹋兰导师签名：多移彦易 日期：癣厂月砀日 第一章引言 随着微电子工艺技术的不断进展，超大规模集成电路( v l s i ) 已达 到9 0 h m 的生产工艺水平，目前6 5 n m ：e 艺正在趋于实用化，预计2 0 1 4 年，特征尺 寸为3 5 r i m 的电路将投入批量生产。高密度、高性能、高可靠性是v l s i 电路发 展的主要方向，即一方面要考虑更大规模的集成度；另一方面，可靠性问题也 是v l s i 电路发展和应用中的重要考虑因素。随着航空、航天技术的应用以及军 用、民用等复杂电子装备向微型化、高集成化、多功能化方向的迅猛发展，人们 对v l s i 电路的质量和可靠性提出了更高的要求。 v l s i 电路的可靠性涉及的范围很广，目前器件可靠性的研究领域主要集 中在：晶体管的可靠性、介质可靠性、静电损伤和闩锁、互连可靠性、器件 工艺可靠性等。其中v l s i 电路中晶体管可靠性主要包括负偏置温度不稳定 性( n e g a t i v eb i a st e m p e r a t u r ei n s t a b i l i t y ) ，新型热载流子( h o tc a r r i e r ) 效应 以及器件尺寸按比例缩小( s c a l i n g - d o w n ) 后出现的可靠性问题等，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 1 1 1 2 1 。 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，另一方面也作为减小延迟的需要 3 】，电源电压并不能按相应 比例缩小，因而m o s f e t 内沟道电场有明显增强的趋势。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，或者被栅氧化层中 的电荷陷阱俘获，导致一系列器件性能的退化，如：阈值电压漂移、漏电流降 低等，极大的影响了集成电路的长期可靠性及寿命，人们开始认识到高场下的 热载流子问题的严重性。因而，热载流子可靠性问题将阻碍器件及v l s i 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器件的设计、制造中去，降低乃至消除 这些不良机制的影响。对m o s f e t 物理机理及单个器件的热载流子效应的研究 较有代表性的是b e r k e l e y 的s i h 键断裂模型 4 和i b m 的轻掺杂漏( 1 i g h t l yd o p e d 兰州大学硕士研究生学位论文第一章引言 d r a i n ，简称l d d ) 器件结构研究f 5 】。随着人们对热载流子效应的物理本质认识 的提高，目前的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。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 6 】f 7 】 8 】。 随着集成电路复杂性的不断增加，在工艺和器件的研究与发展中，使用完 美的器件模拟方法是有效且经济的。计算机模拟通常是从i v 特性、c v 特性和 载流子的输运特性的角度对器件进行描述，总体可分为物理模型和等效电路模 型两类。器件物理模型是从半导体材料性质、器件几何结构、杂质分布和载流 子输运方程等方面来预测器件的输出特性，对小尺寸器件，应充分考虑各种效 应的因素，一般要采用二维甚至三维的数值计算技术，形成巨大的运算模拟环 境，即数值模拟器，目前已商用化，而且还不断地发展和完善。等效电路模型对 器件特性的分析转化为对电路中元件的分析，实用于简化巨大计算量的电路模 拟领域。 本论文通过理论分析和计算机数值模拟来研究n m o s f e t 的热载流子效 应。模拟采用物理模型从半导体材料性质、器件几何结构、杂质分布和载流子 输运方程等方面来预测器件的衬底电流及输出特性的退化等。从理论上分析 了n m o s f e t 热载流子分类、产生机理、衬底电流的形成理论、器件性能退化的 饱和特性及温度特性等。由于器件退化和衬底电流的产生是由相同的机理造成 的，即沟道中横向电场、尤其是靠近漏端的电场，而衬底电流与这一电场呈指 数关系，因此准确的分析衬底电流，对器件的性能和可靠性分析是十分重要的。 本文根据衬底电流的形成理论，建立了使用于深亚、超深亚微米器件的衬底电 流模型。并通过计算机数值模拟得到了不同尺寸n m o s f e t 的衬底电流及直流 输出特性，可以为预测热载流子退化提供参考。 2 第二章m o s 器件中的热载流子效应 2 1引言 随着v l s i 制造技术向深亚微米、超深亚微米方向迅速发展，在器件的沟道 长度、结深和栅氧厚度等尺寸等比缩小和衬底掺杂浓度增加的同时，为了解 决电源电压的兼容性问题，电源电压并未能随之等比减小，这就导致沟道区 的横向和纵向电场显著增加。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正来描述与晶格系统不处于热平衡状态的 载流子，称这种状态的载流子为热载流子。热载流子在高场下获得高能量并翻 越s i - s i 0 2 界面势垒，形成氧化层陷阱电荷和界面态陷阱的几率会大大增加，尤 其当沟道中的电场强度大于1 0 4 v c m 以后，热载流子的产生将十分突出。使器 件特性的退化趋于严重 9 1 1 1 0 1 1 1 1 1 。因此热载流子效应己成为限匍j v l s i 电路最大 器件密度的主要因素之一。 2 2 热载流子效应的分类 m o s 器件的热载流子效应传统上分为衬底热载流子效应和沟道热载流子效 应两种。 2 2 1 衬底热载流子效应 衬底热载流子是由衬底结的漏电流及其倍增电流产生的。以n m o s f e t 为 例如图2 1 所示。 在电场的作用下，这些载流子向s i s i 0 2 界面漂移，并在表面耗尽区的高 场中获得高能量。那些获得足够的能量到达界面并翻越界面势垒的载流子被 注入s i 0 2 中，从而产生氧化层陷阱电荷和界面态陷阱，导致器件特性发生退 兰州大学硕士研究生学位论文第二章m o s 器件中的热载流子效应 i 缮) 蟛 图2 1 ：衬底热载流子效应 化 1 2 】 13 】。衬底热载流子导致的氧化层损伤是沿沟道均匀分布的。在器件尺寸 进入亚微米、深亚微米范围后，大部分衬底热载流子在到达表面前就在强沟道 电场的作用下进入源和漏区，使衬底热载流子效应大大减弱，目前研究的重点 集中在沟道热载流子效应上。 2 2 2 沟道热载流子效应 沟道热载流子是由沟道中在高场下运动的电荷及其倍增电荷形成的。当源 漏电压较高时，在漏结附近会形成水平方向上的高电场，在高场作用下，一部分 载流子在水平运动中会获得超过s i s i 0 2 势垒的能量，并且在受到弹性散射后会 幸运地以垂直于界面的方向运动，且能量不受损失；同时在高场下，漏结附近的 碰撞电离作用也会产生高能热载流子并幸运地射向界面，从而形成“幸运热载 流子 【1 4 】。它们在注入氧化层的过程中在s i - s i 0 2 界面会形成界面态陷阱，并有 部分热载流子被氧化层中的电荷陷阱俘获，使器件性能退化。以n m o s f e t 为 例如图2 2 所示。 4 兰州大学硕士研究生学位论文第二章m o s 器件中的热载流子效应 v g 暑 图2 2 ：沟道热载流子效应 沟道方向电场使载流子加速，获得高能量，在强栅场作用下越过s i - s i 0 2 界 面势垒注入s i 0 2 层，如图2 。2 中a 过程所示，一般注入发生在漏区附近，因为漏区 附近沟道电场最强。当栅压较高时，衬底空间电荷区的纵向电场也很高，其中 的电子也可被纵向电场“拉入一栅氧化层中，同时产生的空穴或者进入源极或 者被扫入衬底，形成衬底电流厶t 1 6 ，如图2 2 中b 过程所示。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的部分高能 量载流子在漏区附近与晶格碰撞，产生电子、空穴对，一部分电子被漏极收集， 具有能克j 艮s i s i 0 2 界面势垒能量的电子将注入到栅氧化层中，同时，产生的空 穴被扫入衬底，形成衬底电流厶t 6 ，如图2 2 中c 过程所示。 最近的研究又发现了一些新的热载流子效应，如栅氧化层电荷退陷阱效 应【15 】f 1 6 1 和后应力延续效应【1 7 】等。栅氧化层电荷退陷阱效应是指器件在受到 一定时间的应力作用后，将器件的源、漏和衬底接地，在栅上加一固定偏压进 行退火处理，使氧化层中陷落的载流子脱陷。器件特性的恢复与退火时间成对 数关系，对数曲线的斜率近似地随栅氧场强如线性增加。实验表明，退陷阱效 5 兰州大学硕士研究生学位论文第二章m o s 器件中的热载流子效应 应几乎与栅氧电场的极性无关，这说明退陷阱效应可能是场增强热发射引起的， 而不可能是栅氧化层陷落电荷隧穿进入栅电极或衬底引起的。退陷阱效应对于 准确分析动态应力条件下的热载流子效应是十分重要的，应给予足够的重视。 后应力延续效应是指在应力结束后，器件在栅、源、漏和衬底均接地或仅栅极加 偏压的条件下仍有界面态陷阱产生，其数量与后应力时间呈对数关系，且与栅 氧电场极性有关，正的栅氧电场使后应力界面态的产生速率增加，而负场使之 减小。同时实验发现，在前应力为空穴注入时后应力效应才会发生，经氮化硅 钝化的器件比未钝化的器件的后应力效应要显著。其物理机制有待进一步研究。 这些新发现的效应使进一步精确分析和模拟热载流子效应的工作更加复杂化。 2 3超深亚微米m o s 器件中的热载流子效应 随着m o s f e t 器件尺寸的缩小，热载流子效应对器件性能的影响越来越显 著，相同的应力条件下，沟道长度越短，器件的退化量也越大。目前0 1 8 。u m i 艺 已进入大规模生产阶段，o 1 0 1 8 # m 范围的器件制造技术也日趋成熟，热载流 子问题的评估和模拟研究成为人们关心的主要问题之一。 目前存在这样的看法 1 8 】，由于电源电压和栅氧化层厚度的不断下降，深 亚微米、超深亚微米器件中的热载流子效应不会像亚微米器件那样严重，如何 抑制短沟道效应将成为最重要的工作方向。但是，在0 1 0 0 7 p m i 艺下，电源 电压必须降到1 1 5 v ，器件的横向电场峰值才能低于0 2 5 # m i 艺2 5 3 3 v 工 作电压时的水平，热载流子效应才能得到有效的抑制。有人假设，当电压降 至 1 1 2 7 3 3 v 时，熟载流子将无法获得跨越s i s i 0 2 界面势垒的能量，热载流子效 应将自动消失。而且，当电压降到碰撞电离的阈值能量( 1 。6 e v ) 以下之后，碰 撞电离也将停止，不再会有电子空穴对产生。目前有很多研究否定了这种假设。 在0 1 # ms im o s f e t 中，甚至当电压降到低于带宽能量( 0 6 e v ) 时，仍可以观 察到碰撞电离。当电压降到1 7 5 v 时仍可以测量到栅电流 1 1 1 0 这种现象可以解 释为：电场中的电子气是处于准平衡态，电子即使在低场中也有机会获得任何 能量，处于高能量分布区中的电子就可以形成衬底和栅电流。此时衬底电流和 6 兰州大学硕士研究生学位论文第二章m o s 器件中的热载流子效应 栅电流之间的关系仍然和长沟道器件中的关系一样【1 9 】： 昆i n = ( 厶t 6 如) 咖b 机( 2 1 ) 其中九是有效势垒高度，晚是碰撞电离阂值能量。 同样，1 “m 器件的退化模型也或多或少可以应用于深亚微米、超深亚微米 器件的退化研究。沟道横向电场的减小将使衬底电流和栅电流随之减小，使器 件寿命得以提高；但另一方面，当衬底电流一定时，器件的退化会随着沟道长度 的减小而增加。这主要是因为损伤区长度不会随沟道长度等比减小，损伤区长 度占沟道长度的比例增大，沟道中退化部分向源极延伸，对器件参数的影响愈 加显著。尽管减小栅氧化层厚度能够增加栅氧化层电容，减少氧化层陷落电荷， 但同时也会使衬底电流增加，所以器件退化与氧化层厚度之间并不是简单的增 加或减小的关系。 器件进入深亚微米、超深亚微米范围后退化量增加的其它主要原因 是 1 0 1 1 1 2 ：器件内部的沟道场强和氧化层场强随沟道长度减小而增加，使热载 流子效应增强；各种偏置条件下器件的退化机理( 如：界面态的产生、电子和空 穴在氧化层中的陷落等) 对器件的性能都会产生显著的影响，而长沟道n m o s 器 件中氧化层电荷陷落的影响较小，长沟道p m o s 器件中界面态的影响较小；由于 热载流子注入引起沟道缩短，使深亚微米、超深亚微米器件的穿通电压急剧退 化。同时，对超深亚微米器件进行模拟时要考虑各种短沟效应，尤其当沟道长 度降至与载流子平均自由程可比时，会出现如非稳态、量子传输等效应，模拟 工作会面临更大的挑战。 7 第三章n m o s f e t 衬底电流模型及模拟 3 1引言 m o s f e t 的热载流子效应将产生衬底电流厶曲，衬底电流的存在将在很大 程度上影响高漏压下的电流电压特性，并使输出电阻变小。热载流子效应弓l 起 的器件性能退化，在小尺寸薄栅氧器件中更为明显，而衬底电流变得更加显著， 因此衬底电流的变化常常被用于预测热载流子效应引起的器件性能退化。 3 2 模拟基本方程 一、泊松方程 泊松方程描述了整个空间的电荷与电场的梯度的关系： v 2 霍= 一q ( p n + 吾一j ) 一p s ( 3 1 ) 式中皿是本征费米电势，礼和p 分别是电子和空穴浓度，畦和啊分别是离化的 施主和受主杂质浓度，g 是单位电荷，风为表面电荷密度( 与绝缘材料中的固定 电荷或界面态电荷有关) 。 二、电流密度方程 电子和空穴的电流密度包括漂移分量和扩散分量，可分别表示为： 工：口肛n 赢n + q d n 弓n( 3 2 ) 五= 印- - - - ) , 一q d p 寺p ( 3 3 ) 其中p n 、坳分别是电子和空穴的迁移率，d 竹、d p 分别是相应的扩散系数，扩散 系数与迁移率由爱因斯坦关系所联系。同时电流密度可由载流子浓度及电子、 兰州大学硕士研究生学位论文 第三章n m o s f e t 衬底电流模型及模拟 空穴的准费米势”如表示： _ 厶= - q # n n v ( 3 4 ) = 一q 啪影奶 ( 3 5 ) 根据玻尔兹曼载流子统计分布，忽略重掺杂引起的禁带变窄效应，则有： _ 斗_ _ 既= 日= e = 一v 皿( 3 6 ) 考虑重掺杂效应，可以用有效本征载流子浓度代替本征载流子浓度啦， 两者关系为： 佗2 = n ；e x p ( 一等) ( 3 7 ) 式q e a e o 描绘了禁带变窄： 岛= 蛊0 b 1 掣+ ( 1 n 掣) 2 + q ( 3 8 ) 其中a ，b ，c 均为常系数，翻为局部的总掺杂浓度，式( 3 6 ) 则改写为： 赢= 一亨( 等1 1 1 n i e ) ( 3 9 )r = 一v ( 霍+ e )( 3 9 ) 毒= 一亨( 皿一等i n n i e ) 岛= 一v ( 皿一号 ) 三、电流连续性方程 电子和空穴的连续性方程为： 害= 五一( 以) = r ( q t , n , p ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) o 优p = - 1 q 弓五一( 一q ) = b ( 皿，仃，p ) ( 3 1 2 ) 其中巩、u p 分别是电子和空穴的复合率。当以 0 为净复合，巩 3 7 e v 图4 1 ：一种界面陷阱产生的物理模型 反应方程式为： 三s i l l 譬+ 鼠( 4 2 ) 热电子打断- = s i l l 键产生三价s ；原子( 类受主型界面陷阱) 和h t ( 间隙原子) ，断 键率为： k ( i d 。w ) e x p ( - u q a e m )( 4 3 ) 其中为沟道宽度，九为产生界面陷阱的临界能量，a 为热载流子平价自由 程，k 为破键率参数，与- s i l l 键密度成正比，该键密度非常高( 一1 0 2 0 a m 一3 ) 3 9 1 ， 可假定为常数。三价s ：原子和巩的复合率为： b n i t n h ( o )( 4 4 ) 2 0 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 n 日( o ) 为h 在界面的浓度。由式( 4 3 ) ( 4 4 ) 得到界面陷阱的净产生率为印】【4 l 】 警洲i y d y 8e x p ( 一盎) 一巩吲。) ( 4 5 ) 该式右边第一项为断键率，第二项为三价s ；原子和h t 的复合率，是沟道 最大电场，同时，界面陷阱的净产生率也等于h 从界面扩散出去的速度，近似写 成： 百d n i t ：d n f n h ( o ) ( 4 6 ) 一= 一 - 4n i 出x h r 7 其中d h 和x h 分别为氢的有效扩散常数和有效扩散长度。综合( 4 5 ) ( 4 6 ) 两式， 消去扎日( o ) 项得： 百d n i t ( 1t b x n 日n i t ) = a k 万i d se x p l 一鱼q a e m 、 ( 4 7 ) 积分可得： 面b x h 叱, , 2 。+ 坛= 施d 8e x p ( _ 盎) ( 4 8 ) 可见界面陷阱m t 的生长动力学与热氧化速率非常相似 4 2 4 3 1 。当心t 较小 时，该速率取决于反应过程，故m to ( t ( 假设初始陷阱密度可以忽略) ：当魁。较 大时，该速率取决于扩散过程，因此批+ t o 。在一般情况下，正如热氧化那样 c ( k 亡锣唧( 一盎矿 ( 4 9 ) 式中佗( 0 5 ，1 ) ，c 为工艺相关因子，对于确定的工艺线为常量。 至此，得到了界面态产生的s i h 键断裂模型。根据这一模型，热电子注入 引起的氧化层损伤主要归结为热电子注入产生类受主界面态，俘获注入的热电 子而带负电，使氧化层中负电荷增多，引起阈值电压漂移、漏电流减小、跨导降 低等器件退化。 2 1 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 4 2 2界面态的产生与器件参数退化之间的关系 本节采用简单的一维分布解析模型，来说明界面态产生对器件的影 响 1 8 】。批t 使反型层迁载流子移率p 减少的经验关系： p 2 再丽# t o 莎 ( 4 1 0 ) 此处是无退化时的反型层迁移率，k 是常数，m t ( 可) 是y 处的界面态密度由渐 变沟道近似，器件线性工作时沿沟道的电势分布可表示为： d y = i 如d r = 一而i d 8 d y ( 4 1 1 ) 其中 q n ( 秒) = 一c 【k 一一y ( 可) 】+ q 北t ( 可)( 4 1 2 ) 对式( 4 1 1 ) 沿沟道积分得： z l 等= 学z 吼一嘞瑚y 一等灿炒 ( 4 。1 3 ) 上式右边第一项表示器件退化之前的漏电流： ：f v o w e s s ( k 一许一魄2 ) 玩 ( 4 1 4 ) 由于器件线性- v 作时漏电压很小，因此式中的玩2 可以忽略。式( 4 1 4 ) 变为： 定义平均界面态密度为： ：掣堑( k 一) 魄( 4 1 5 ) i j e f f 其中2 为器件损伤区长度。 瓦= 矿 酬咖 ( 4 1 6 ) 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 式( 4 1 3 ) d p 右边第二项说明了界面态充放电造成沟道电荷总量的变化对电 流的影响。玩很小时，这一项可近似为： 粤厂黜) ( d v d y ) d ! ，学( 粤) 厂lq ( 耖) d y ：学q n i t b e | | j o i 。e f fl e | | j o1 。e f f ( 4 1 7 ) 由式( 4 1 0 ) 、( 4 1 5 ) 、( 4 1 6 ) 和( 4 1 7 ) n 得： ( 1 + k 瓦) 如：訾( 一婚) 坛一咝磐厩 ( 4 1 8 ) 由式( 4 1 3 ) 和( 4 1 7 ) 可得： 许= ( 、伽k w i d s l e h 匠+ 麦) 瓦 ( 4 1 9 ) 即器件阈值电压的退化量与界面态的产生量成正比。因为在沟道中多数载 流子的密度是远远大于界面态密度的，因此在式( 4 1 3 ) 中可以忽略包含瓦的第 二项，由式( 4 1 1 ) ： tt?fl l e ，| a 3 y 。 玩= 玩( 上瓦瓦丽 ( 4 2 0 ) 此处职，是有效沟道宽度，是栅电容，昆。是退化过程中的漏电流。将 式( 4 1 0 ) 和( 4 1 6 ) 代入( 4 2 0 ) 得到施加应力之后的器件的漏电流的表达式： 如2 等楮2 鼍警江2 l ， 由式( 4 1 3 ) 和( 4 2 1 ) n - f 徭j l ： 玩= 一玩= w e ，( 一嵋) 肋玩( 南一瓦再丽1 )( 4 2 2 ) 由此可得线性漏电流退化的百分比： 等= 1 一雨概 2 3 ( 4 2 3 ) 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 因为k ( 1 l 。，) 7 吒通常是一个小量，上式中的第二项可用泰勒级数近似，得 挚k ( 1 l 。f f ) 瓦 ( 4 2 4 ) d , a o 即线性电流退化量和平均界面态产生密度成正比，也与退化区长度和有效沟道 长度之比成正比。 4 3m o s f e t 退化的饱和效应 cm h u 等提出的热载流子退化模型具有与衬底电流和时间的简单幂函数 关系 4 】，即热载流子所导致的器件参数退化量可表示为： rr a = a ( - t ，s u b ，n l d s 7 t ) m ( 4 2 5 ) d s 7 其中a 为比例常数，彬是沟道宽度，屯和厶曲分别是器件的漏电流和衬底 电流，m 和n 表明退化与称底电流及时间的指数关系。然而长时间且深入 的电应力实验表明 4 4 】 4 5 】 4 6 】：热载流子退化在其所受电应力达到某个阈 值后趋于饱和，不再符合以上退化模型方程( 4 2 5 ) 。图( 4 2 ) 是沟道长度 分别为0 2 5 # m 和0 4 5 # m 的n m o s f e t 漏电流的退化结果【4 4 】。器件的栅氧化 层厚度为7 r i m ，电应力条件分别是：0 2 5 # m 器件为3 7 5 v 和4 0 v ；0 4 5 # m 器 件为4 0 v 和4 2 5 v 。栅压均为1 5 v ，以使称底电流达到最大值。相 应的衬底电流分别是：0 2 5 # m 器件为2 9 # a # m 和2 1 弘a # m , 0 4 5 # m 器件 为1 8 # a # m 和1 0 # a # m 。从图( 4 2 ) 中可以看出，热载流子退化在一定的 阈值内满足方程( 4 2 5 ) ，而随着应力时间的增长，退化偏离式( 4 2 5 ) 而趋于饱 和。从图中得知其漏电流退化达到饱和的阈值近似为厶。玩达到1 2 。 热载流子退化的本质在于漏极附近的氧化层中产生陷阱电荷及s i s i 0 2 边界 产生界面态，而这些陷阱电荷及界面态将产生相应的电势以阻止后续的热载流 子接近s i s i 0 2 边界。因此，热载流子产生陷阱电荷及界面态所需克服的势垒就 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 j l 术 、一 j 、 q 1 0 al = 0 2 5p m , v d = 4 0 e v 0l = o 2 5 m v d = 3 7 5 v - l = o 4 5p r o , v d = - 4 2 5 v l ：0 4 5t t m , v d = 4 0 0 v m o d e i v l = i s v 1 0 - 1 l l o - l a o = 1 2 - i 鬏i k = 0 4 5 o 6 1 0 1 0 2 s t r e s st i m e ( r a i n ) 图4 2 ：0 2 5 # m 和0 4 5 # m 沟长的n m o s f e t 在不同电应力条件下漏电流退化的 实验及模型结果 4 4 】 相应的提高了，从而造成了热载流子退化趋向于饱和。以上是热载流子退化饱 和效应定性分析，下面作定量讨论。 当考虑了氧化层陷阱电荷和界面态造成的势垒增加后，热载流子的退化率 公式可改写为【4 】： 面d a = a f ( a ) ( 锣蚓一掣) ( 4 2 6 ) 其中a 是热载流子平均自由程，为沟道的最大纵向电场，b 和o 计入了退化 造成的本征势垒如的增加，o 表明器件参数退化的阈值，即当器件参数退化超 过o 后，势垒的增加才体现出来。对器件参数退化的闽值o 可以这样解释：当 器件参数退化量小于阈值( a o ) 时， 漏极附近高场区上方的氧化层中产生的陷阱电荷浓度及界面态密度已较大，改 兰州大学硕士研究生学位论文第四章 n m o s f e t 器件特性退化模拟 变了产生陷阱电荷及界面态所需要克服的势垒高度，对退化特性造成j 影响。 在式( 4 2 6 ) 中引入，( ) 的目的在于退化量小于退化阈值时与式( 4 2 5 ) 保持一 致，( ) 可以表示为如下经验公式： 耻= 、研t 4 删 t a n n l 【素生l i 矗 其中为七常数，求解式( 4 2 6 ) 可得： 掣ba c 谚d 恻一志，亡 2 8 ， 当 a o 时退化量对时间呈对数关系趋于饱和，式 中b 以及o 可以从 o 时的与1 i l ( ) 直线的斜率和截距得到，通过参 数a 、后、b 、0 就可模拟器件退化的饱和并应用于寿命预测。 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 孽 、。， j 、 q s t r e s st l m el r a i n i 图4 3 ：器件漏电流退化 h r d 与时间的对数一对数( a o ) 关系 4 4 】 以上的热载流子退化饱和模型得到了实验的验证，图( 4 3 ) 给出了器件漏电 流退化a i d i d 与时间的关系，其数据由图( 4 1 ) t o 2 5 # m 器件在漏电压3 7 5 v 和 栅电压1 5 v 的电应力退化所得到 4 4 】。从图( 4 3 ) 中可以清楚的看到，对于退化 量小于阈值( o ) 后，退化量与时间关系呈现一条直线，与上述的退化饱和 模型很好的吻合。表明以上描述的热载流子注入势垒增加模型能很好的解释热 载流子退化的饱和效应。 4 4 热载流子退化的温度特性 半导体器件是温度敏感的器件，其器件参数几乎都与温度密切相关。众所 周知，c m o s 电路在低温下工作，其工作速度、泄漏电流、亚阈区关断特性等都 较室温下大为优越，研究热载流子效应与的温度关系可以洞悉集成电路在各种 温度应用领域里的可靠性【4 7 】。 m o s f e t 的热载流子退化源自于漏极附近产生界面态和电子陷落，其本质 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 是器件内部的高电场产生的碰撞电离，最便于测量并监测比较热载流子退化 效应的参数为碰撞电离所产生的衬底电流，因而测量和分析衬底电流随温度 变化的关系便可得到退化的温度特性。器件的衬底电流与漏电流有关，而漏电 流屯是温度的函数 4 8 】，因此衬底电流厶曲也是温度的函数。通过实验发现，当温 度降低时，衬底电流增大，器件的退化加剧，低温时的器件寿命缩短 4 9 5 0 5 1 1 ， 见图( 4 4 ) 。可作如下解释：1 ) 温度降低使得漏电流增大，热载流子对栅氧化层 的注入增加。2 ) 温度降低还可使光学声子的平均自由程a 增加，进而使热电子 从电场中获得的能量( 口a ) 增加，导致衬底电流增大，退化加剧。这里给出衬 0 1234 5 g a t ev o y a g ei v l 图4 4 ：n m o s f e t 在不同温度下衬底电流与栅压的关系【4 9 】 底电流的表达式( 3 2 1 ) 另一种写法 5 2 】： s u b - - 等( 一玩戚) e x p ( 呐入) ( 4 3 3 ) 兰州大学硕士研究生学位论文第四章n m o s f e t 器件特性退化模拟 其中，g 也是碰撞电离的能量阈值，a 是电子与声子的散射平均自由程为器件 漏极附近的峰值电场，近似为： e m = ( 一v , i s a t ) l c( 4 3 4 ) 随着温度的降低，电子与声子的散射减小，其平均自由程增大，如t 4 8 4 9 - a = t a n h ( s 2 k b t )( 4 3 5 ) 式中，a o 为平均自由程a 的低温限，是光学声子的能量。 由( 4 3 5 ) 式可以预计，低温下电子可以在电场加速作用下获得更高的 能量，使碰撞电离增强，衬底电流加大，热载流子退化效应更加显著。然 而，h e r e m a n s 等人的实验结果表明，平均自由程与温度无关，低温下衬底电流 的增加仅仅是由于漏电流的增大所致【5 0 】。 对碰撞电离更精确的分析应包含电子与电离杂质的散射【5 1 】，即： 1 入= 1 + l k 掣哺p( 4 3 6 ) 对具有能量的某个电子吸收( 或产生) 一个能量为岛的光子的几率为r 口( 或马) ： 风纠( 抖= 蒜蔫每 ( 4 3 7 ) 式中，n 是在温度t 时具有能量岛的光子数，其满足波色一爱因斯坦分布。( + s ，) 1 2 正比于吸收能量岛的电子态密度，正比于跃迁的矩阵元。类似的，蜀为： 局= g 一矗) v 2 ( + 1 ) = r 二 褊 ( 4 3 8 ) 假定入口( 或) 是一个电子吸收或产生一个能