（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米nmosfet中的热载流子效应.pdfVIP

摘要 摘要 在器件尺寸缩d , n 超深亚微米及纳米尺度后，热载流子效应仍然是c m o s 电 路退化乃至失效的重要因素。本文对超深亚微米n m o s f e t 中热载流子效应的退 化机理及其对器件特性的影响进行了深入的研究。首先介绍了超深亚微米 n m o s f e t 中热载流子效应的基本物理机制和低工作电压下的碰撞电离机制。研究 了n m o s f e t 的i v 特性和静态参数在热载流子应力作用下的退化，重点研究了 器件退化的饱和效应。接着对最坏情况热载流子应力条件进行了研究，测量了三 组不同栅氧化层厚度的n m o s f e t 的衬底电流特性，发现在沟道长度l 等于 0 0 9 9 m ，栅氧化层厚度t o x 为1 2 4 n m 器件中，最大衬底电流对应的栅压从v g s = 1 2 v d 。 变为v 醛= v d s o 研究表明短沟薄栅氧器件在沟道热载流子应力下的器件寿命比在漏 雪崩热载流子应力下的器件寿命要短，这与通常认为的漏雪崩热载流子应力下器 件退化最严重的理论不一致，对造成这种现象的原因进行了理论解释。最后，对 n m o s f e t 中界面陷阱辅助隧穿漏端泄漏电流( i t a t ) 的退化机制和特性进行了研 究。分析了界面陷阱和氧化层陷阱电荷对i t a t 的影响。热载流子应力实验结果表明 i t a 丁的退化特性与器件栅氧化层厚度t o x 有关。对于薄栅氧( t o x = 3 。8 4 n m ) n m o s f e t ， i t a t 的退化主要是由界面陷阱的产生引起的；对于厚栅氧( t o x = 7 6 4 r i m ) n m o s f e t ， i t a t 的退化明显呈两个阶段，界面陷阱的产生导致第一阶段为幂律退化率，氧化层 陷阱电荷的产生导致第二阶段为加速的退化率。 关键词：超深亚微米n m o s f e t热载流子 衬底电流 最坏情况热载流子应力条件界面陷阱辅助隧穿漏端泄漏电流 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es c a l i n go fd e v i c es i z ei n t ou l t r ad e e ps u b m i c r o na n dn a n or e g i o n ，h o t c a r r i e re f f e c ti sa l s oa ni m p o r t a n tr e l i a b i l i t yi s s u ei nc m o sc i r c u i t ，i t sd e g r a d a t i o n m e c h a n i s m sa n di m p a c to nd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e dd e e p l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n f i r s tt h eb a s i cp h y s i c a lm e c h a n i s m sa n di m p a c t i o n i z a t i o nm e c h a n i s m s u n d e rl o ws u p p l yv o l t a g ei nu l t r a d e e p - s u b m i c r o nn m o s f e t sa r ei n t r o d u c e d t h e d e g r a d a t i o no fn m o s f e t si - vc h a r a c t e ra n ds t a t i cp a r a m e t e r su n d e rh o tc a r r i e rs t r e s s c o n d i t i o na r ep r e s e n t e d t h es a t u r a t i o ne f f e c to fd e v i c ed e g r a d a t i o ni si n v e s t i g a t e d t h e w o r s tc a s es t r e s sc o n d i t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h r e eg r o u p so fn m o s f e tw i t hd i f f e r e n t o x i d et h i c k n e s sa r em e a s u r e dt o s t u d yt h es u b s t r a t e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c s i t s e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dt h a tt h em a x i m u ms u b s t r a t ec u r r e n ts t r e s sc o n d i t i o ns w i s h f r o mv g s l 2 v d st ov g s = v a si nn m o s f e tw h o s ec h a n n e ll e n g t hi s0 0 9 1 x m ，t h eo x i d e t h i c k n e s si s1 2 4 n m i ti sf o u n dt h a ti ns h o r tc h a n n e lt h i ng a t eo x i d en m o s f e t , t h e d e v i c el i f et i m eu n d e rc h a n n e lh o tc a r d e rs t r e s si sl o w e rt h a nt h a tu n d e rd r a i na v a l a n c h e h o tc a r r i e rs t r e s s ，c o n t r a r yt ot h eu s u a lt h i n k i n gt h a tt h ew o r s tc a s es t r e s sc o n d i t i o n d e p e n d so nt h eg a t ev o l t a g ew i t ht h em a x i m u ms u b s t r a t ec u r r e n t ，t h er e a s o n so ft h i s p h e n o m e n o na r ea n a l y z e d a tl a s t ，t h em e c h a n i s m sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft r a p a s s i s t e d t u n n e l i n gd r a i nl e a k a g ec u r r e n t ( i t a t ) d e g r a d a t i o na r ei n v e s t i g a t e d b o t hi n t e r f a c et r a p a n do x i d et r a p p e dc h a r g ea r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh o t c a r r i e rs t r e s sm a k e si t a td e g r a d a t i o nh a v eas t r o n gd e p e n d e n c eo nt h eo x i d et h i c k n e s s i nt h i ng a t eo x i d e ( t h eo x i d et h i c k n e s st o x = 3 8 4 n m ) n m o s f e t , i t a td e g r a d a t i o ni s a t t r i b u t e dm o s t l yt oi n t e r f a c et r a pc r e a t i o n ，w h i l ei nt h i c k e ro x i d e ( t h eo x i d et h i c k n e s s t o x = 7 6 4 n m ) n m o s f e t , i t a te x h i b i t st w os t a g e sd e g r a d a t i o n ，ap o w e rl a wd e g r a d a t i o n r a t ei nt h ei n i t i a ls t a g ed u et oi n t e r f a c et r a pg e n e r a t i o n ，f o l l o w e db ya na c c e l e r a t e d d e g r a d a t i o nr a t ei nt h es e c o n ds t a g ec a u s e db yo x i d et r a p p e dc h a r g ec r e a t i o n k e y w o r d s ：u l t r a - d e e p - s u b m i c r o n t h ew o r s tc a s es t r e s s d r a i nl e a k a g ec u r r e n t n m o s f e th o tc a r r i e r s u b s t r a t ec u r r e n t c o n d i t i o ni n t e r f a c et r a p a s s i s t e dt u n n e l i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另t l d i 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘赞 日期： 川1 1 】 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 只期：竺! ! ：! ：! 兰 谜掣丑一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超大规模集成电路中的器件可靠性问题 超大规模集成电路技术是现代信息产业的基础，电路规模的不断增加，性能 价格比的不断提高，带动信息产业的各个领域发生了革命性的变化。m o s f e t 是 构成超大规模集成电路的基础器件，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 l i n g d o w n ) 原则。目前，器件的尺寸已经进入纳米范围l l j ，纳米 c m o s 器件是指芯片特征尺寸步入纳米尺度的c m o s 器件。按i t r s ( 国际半导体 技术规划) 2 0 0 3 要求，应继续加强研究丌发传统的c m o s 结构，在保持降低成本 或维持成本的前提下，继续按比例缩小芯片特征尺寸。目前，国际上9 0 n mc m o s 器件已达量产水平。英特尔于2 0 0 5 年底、2 0 0 6 年初提前实现了6 5 n m 芯片的批量 生产，比i t r s 2 0 0 3 要求2 0 0 7 年实现6 5 n m 工艺的规划整提前了一年，2 0 0 7 年将 推出集成度达1 0 亿个晶体管的m p u 。i t r s 2 0 0 3 预测，在器件尺寸达到6 5 n m 节 点以后，若采用应变硅、超薄s o i 、金属栅电极和双栅结构等两项以上“技术推动 力”，有可能在2 0 1 8 年以后将芯片特征尺寸推入1 6 n m 节点。为此美国s i a 于2 0 0 4 年1 2 月8 日宣布将从事小于1 0 n m 的研究项目，以使美国在半导体技术领域保持 领先地位。国内，中芯国际已经研发成功9 0 n m 工艺，目前正与中国科学院、清华 大学和北京大学等单位合作丌发6 5 n m 工艺。 高集成度、高性能和高可靠性是超大规模集成电路发展的主要方向，其中可 靠性问题成为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 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、民用复杂电子装备向微型化、高集成化、多功能化方向 的发展，人们对超大规模集成电路的质量和可靠性提出了更高的要求，在某些领 域，器件与电路可靠性已经成为了首要的技术指标。 集成电路和器件的可靠性一般定义为：在正常工作条件下，该器件或电路可 以按照设计功能工作所需时问的概率。可靠性具有统计规律。通常也用平均失效 时间来表征电路和器件的寿命。为了能用实验手段确定器件和电路的寿命，通常 采用加速寿命测试的方法，将器件置于高于正常值的应力条件下，得到器件的加 速寿命，再根据具体的退化机制，外推出正常工作条件下的器件寿命。这就要求 对引起退化的物理机制进行充分的研究并能够精确的模拟。在此基础上，可以通 过精确的建模，对器件乃至整个电路进行寿命估计，并且可以找到影响电路寿命 的关键因素，通过对工艺、器件结构、电路设计加以改进，提高器件和电路的寿 命和可靠性。超大规模集成电路可靠性涉及的范围很广，其中关于器件可靠性， 超深弧微米n m o s f e t 中的热载流子效应 目前的研究领域主要集中在以下几个方面：( 1 ) 晶体管( t r a n s i s t o r ) 可靠性( 2 ) 介质 ( d i e l e c t r i c s ) 可靠性( 3 ) 静电损伤和闩锁( e s da n d l a t c h 。u p ) ( 4 ) 互连 ( i n t e r c o n n e c t ) 可靠性( 5 ) 器件工艺( d e v i c ep r o c e s s ) 可靠性等，其中超大规模集成 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 e i 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 ) 现象以及器件尺寸等比例缩小后出现的可 靠性问题等。 集成电路的可靠性评估和改进是集成电路发展中的重要课题。越来越多的失 效模式和机理研究得到了充分的重视。集成电路的失效模式一般可以分为两种： 毁坏性和非毁坏性的。与时间相关的氧化层击穿、电迁徙和静电放电会形成短路 或丌路，导致器件和电路的突然失效，属于毁坏性的失效机制；而热载流子效应【2 】 和n b t i 效应【3 】会使器件性能随着时间逐渐退化，使电路性能发生改变，属于非毁 坏性的失效机制。只有基于对失效机制的充分认识，可靠性的评估和改善才成为 可能。 1 2 热载流子效应研究的背景及意义 缩短m o s f e t 的沟道长度，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。限制器件尺寸缩小 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最小特征尺寸。所谓电学上的 限制，是指随着m o s f e t 尺寸的不断缩小，单位面积内电场强度与电流密度激增。 当器件的尺寸进入超深亚微米范围以后，需要考虑以下几个问题：短沟道效应引 起亚阈特性退化，阈值电压随沟道长度剧烈变化；栅氧化层厚度减薄，直接隧穿 加剧导致器件性能退化【4 儿引，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 0 2 ；噪声容限决定了阈值电压和电源电压降低的极限；各种寄生效应的 影响，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；为改善短沟道效应，要求 器件沟道掺杂浓度达到或超过1 0 1 m 3 ，由于载流子迁移率在高横向电场中变小， 如此高的掺杂浓度容易引起器件性能的严重退化。此外，界面处的高掺杂引起载 流子能级量子化1 6 1 ，使阈值电压比过去的计算值高；由于电子一电子散射效应【7 】， 使得工作电压变小后，热载流子效应仍然对器件的寿命造成影响。 1 9 7 4 年由d e n n a r d 提出的按比例缩小( s c a l i n g 。d o w n ) 原则，其指导思想是在 m o s f e t 内部电场不变的条件下，通过缩小器件的横向和纵向尺寸，以增加跨导 和减小级联负载电容，山此可以大大提高电路的性能。同时要求电源电压与器件 尺寸同比例减小。这样，可以使器件中与电场有关的非线性因素( 如迁移率) 不会 第一章绪论 因此而改变，这种缩小规律称为恒场( c e ) 律。然而，在m o s f e t 沟道长度越来越 短，栅氧化层厚度越来越薄的同时，为了与外部电路系统匹配，减小线路延迟， 解决电源兼容性的问题，对电源电压不可能完全按照恒定电场等比例缩小，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，比费米能级大几个k t 以上，称这种状态的载流子为热载流子。当载流子的能 量达到或超过s i s i 0 2 界面势垒时，便会注入到氧化层中，产生界面态、氧化层陷 阱或被陷阱所俘获，使氧化层电荷增加或波动不稳。 热载流子效应可以导致阈值电压漂移，漏电流和跨导降低，还将产生衬底电 流、栅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 载流子可靠性问题”。因而热载流子效应将阻碍超大规模集成电路的进一步发展， 迫切需要对其展开深入研究，寻找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，降低乃至消除这种不良机制的影 向。 1 3 国内外研究现状及进展 二十世纪八十年代，人们开始认识到高场下的热载流子问题的严重性。尤其 是m o s 器件中热载流子对栅氧化层的注入将产生界面陷阱电荷及氧化层陷阱电 荷，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 l e y 的s i h 键断裂模型和i b m 的l d d 器件结构研 究。二十世纪九十年代后，热载流子效应的物理本质已经较为清晰，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的影响，并且开发了相关的集 成电路可靠性模拟软件，如b e r k e l e y 的b e r t 及其商业版本b e t ab 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。 目前国际上对热载流子效应的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 热载流子及 其产生的陷阱的确认和建模【8 j ：( 2 ) 超深亚微米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【9 1 1 1 0 1 1 l l 】；( 3 ) 寻找能够消弱热 载流子效应的新型器件结构和电路设计方法【l2 j ；( 4 ) 研究超深亚微米c m o s 器件 中各种失效原因的耦合作用l i3 j ；( 5 ) 随着射频集成电路的实用化，国际上兴起了对 射频热载流子退化的研究【1 4 l 【1 5 】；( 6 ) 研究不同温度条件下，热载流子失效机理【1 6 1 ； ( 7 ) 热载流子效应对数字电路、模拟电路模块的影响，以及相应的抗热载流子电路 结构设计【17 1 。 西安电子科技大学针对超深亚微米c m o s 电路可靠性技术及超深亚微米 m o s f e t 的热载流子效应的研究已经进行了三次流片( 0 2 5 1 t m ，0 1 8 9 m ，o 0 9 p m ) 来 4 超深弧微米n m o s f e t 中的热载流子效应 丌展相关的研究和验证工作，取得了一定的成果。 1 4 本论文的主要研究工作 本论文的研究工作是在教育部重点科技研究计划和国防科技预先研究等项目 的支持下开展的，针对超深亚微米n m o s f e t 中的热载流子效应进行了深入的研 究，本学位论文的主要研究工作包括以下几个方面： 1 对超深亚微米n m o s f e t 中热载流子效应的基本物理机制进行了介绍，重 点分析了栅氧化层的退化，界面陷阱的产生机制。探讨了超深亚微米n m o s f e t 低工作电压下的碰撞电离机理，引入了电子一电子相互作用和电子一电子散射效 应的影响。研究了器件i v 特性和静态参数在热载流子应力作用下的退化，对器件 退化的饱和效应进行了讨论。对以上这部分内容的描述安排在本文第二章。 2 介绍了实验采用的样品，测试芯片整体结构、各个组成部分和l d d 器件 的结构及尺寸参数；说明了实验采用的半导体测量仪器的操作，可靠性测试系统 的结构以及热载流子效应的测试流程和测量表征技术。对以上这部分内容的描述 安排在本文第三章。 3 为了能用实验手段确定器件和电路的寿命，通常采用加速寿命测试的方法， 将器件置于高于正常值的应力条件下，得到器件的加速寿命，再根据具体的退化 机制，外推出正常工作条件下的器件寿命，确定最坏情况热载流子应力条件，对 于准确预测超深亚微米n m o s f e t 寿命具有重要的意义。m o s f e t 的热载流子效 应将产生衬底电流i 。u b ，其大小体现了热载流子效应的强弱。本文介绍了适用于超 深亚微米n m o s f e t 的衬底电流修正模型。对三组不同栅氧化层厚度和沟道长度 的n m o s f e t 进行衬底电流特性测试，发现对于栅氧化层厚度t o 。为7 6 4 n m 和 3 8 4 n m 的器件，最大衬底电流对应的栅压应力v g s m 2 v d s ，表明最坏情况热载流子 应力条件为漏雪崩热载流子应力条件。对于栅氧化层厚度t o x 为1 2 4 n m 的器件，随 着沟道长度的缩短，最大衬底电流应力条件向高栅压漂移，沟道长度l 为9 0 n m 的 n m o s f e t ，在v 举= v d 。形成最大衬底电流，最坏情况热载流子应力条件发生了转 变。研究发现，短沟薄栅氧n m o s f e t 在沟道热载流子应力下的退化比在漏雪崩 热载流子应力下的退化更加严重，这与通常认为的漏雪崩热载流子应力下器件退 化最严重的理论不一致。因此，这种热载流子应力导致的器件退化机理不能用幸 运电子模型的框架理论来解释。通过对短沟薄栅氧器件在不同应力条件下的退化 机理进行分析比较，认为短沟薄栅氧器件在沟道热载流子应力下碰撞电离程度接 近漏雪崩热载流子应力，表明产生的高能热载流子数目增多；同时氧化层纵向电 场有利于热电子向s i s i 0 2 界面的运动，沟道热电子可以产生更多的界面态；漏电 流路径趋向s i s i 0 2 界面；最大碰撞电离点移至沟道和l d dn m o s f e t 轻掺杂区的 第一章绪论 交界处，漏端界面陷阱损伤区域扩展，以上这些因素导致了最坏情况热载流子应 力条件发生了转变。对以上这部分内容的描述安排在本文第四章。 4 在最近3 0 年半导体存储器的显著发展过程中，d r a m 已成为用作计算机 主存的最大量生产的存储器。漏端泄漏电流可以影响d r a m 的保持时间。超深亚 微米n m o s f e t 中热载流子应力对漏端泄漏电流的影响越来越严重。本文实验研 究了界面陷阱辅助隧穿漏端泄漏电流( i t a t ) 的退化机制和特性。分析了界面陷阱和 氧化层陷阱电荷对i t a t 的影响。热载流子应力实验结果表明i t a t 的退化特性与器件 栅氧化层厚度有关。对于薄栅氧器件i t a t 的退化主要是由界面陷阱的产生引起的； 对于厚栅氧器件，i t a t 的退化明显呈两个阶段，界面陷阱的产生导致第一阶段为幂 律退化率，氧化层陷阱电荷的产生导致第二阶段为加速的退化率。对以上这部分 内容的描述安排在本文第五章。 6 超深微米n m o s f e t 中的热载流子效应 第二章m o s f e t 热载流子退化 为了满足集成电路对速度和功能的要求，硅集成电路制造工艺已经进入以超 深亚微米特征尺寸为主的产品生产阶段。然而，在m o s f e t 沟道长度越来越短， 栅氧化层厚度越来越薄的同时，电源电压并没有等比例减小，结果使沟道内的横 向和纵向电场大大加强。超深亚微米器件中的热载流子效应仍然十分显著【1 8 】。 2 1 基本的物理机制 u a t e h o t c a r r i e r sa r 2 囊托o t e x i d di n e t 、o 龇 二二- 一 g 吨删。t l 蒌 j 繁甓 过 o x i d e e 雩弛研a i n 、c a u 5 七d e v l 】c e i n s t a bi l i f i e s ，。 i5 。， m e s a c t ；2 ：i o n i z a t i o n s u b s t r a t e 图2 1 沟道热载流子效应的微观机理示意图 m o s f e t 的热载流子效应有衬底热载流子效应和沟道热载流子效应两种。 衬底热载流子是由衬底结的漏电流及其倍增电流产生的。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 阱电荷和乔面陷阱，导致器件特性发生退化。衬底热载流子产生的氧化层损伤是 沿沟道均匀分布的。在器件尺寸进入超深亚微米范围后，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。但衬底热载流子注入由于其注 入的均匀性和可控制性，仍然是研究热载流子退化机理的重要手段。 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。图2 1 给 出了n m o s f e t 中沟道热载流子效应的微观机理。主要的物理过程包括： 1 在短沟道m o s f e t 中横向高场的影响下，沟道及央断区中的载流子在水 第二章m o s f e t 热载流子退化 7 乎运动中会获得很高的能量，形成热载流子。 2 热载流子可以获得足够的能量从而克服s i s i 0 2 界面势垒或隧穿进入栅氧化 层。 3 高能载流子可以发生碰撞一电离，形成电子空穴对。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。空穴将在强栅场的作用下进入衬底， 形成衬底电流。碰撞产生的载流子可以改变衬底当中的电场分布，引发闩锁效应。 4 注入栅氧化层的热载流子利用其自身的能量与氧化物发生相互作用，在 氧化物中及s i s i 0 2 界面形成缺陷。 2 1 1 载流子“加热 s i n g e ll e n g t h d i s t a n e e ( a l o n gt h ec h a n n e l ) 图2 2n m o s f e t 中沿沟道方向s i s i 0 2 界面处最大横向电场示意图 当m o s f e t 沟道形成夹断区时，漏结附近的硅衬底中会形成很高的电场，水 平电场在这个区域出现一个峰值，如图2 2 所示。当漏一源电压较高时，穿越这个 区域的载流子呈现非平衡能量分布【1 9 1 2 0 】。结果能够注入栅氧化层的高能载流子浓 度与硅衬底中电场分布密切相关。 基于平均载流子能量与局部电场强度有直接关系的假设，认为载流子获得的 最大能量不能超过从源极一漏极电势差获得的能量。但是这种假设的局限性在于 当器件的偏压较低时，仍然可以观察到热载流子注入。对于电子来说，s i s i 0 2 界 面势垒大约为3 2 e v ，根据原有假设，当v d 。小于3 2 v 时，应当不会观察到载流子 的注入。但是实际上当v d 。低于这个值的时候，仍然可以观察到显著的衬底电流和 栅电流f 2 l j 。 与短沟道器件相比，长沟道器件的电场峰值要小一些，由于沟道央断区的长 度与沟道长度和栅氧化层厚度有关，长沟道器件的夹断区要大一些。结果，长沟 道器件中电场强度沿沟道的变化要缓慢一些，电场峰值也要小一些，如图2 2 所示。 墨a5-羞暑uj瞄hk掌一ri 8 超深弧微米n m o s f e t 中的热载流子效应 在这种情况下，沟道载流子与晶格保持热平衡状态，平均载流子能量也可以用局 部电场强度的值计算出来。当器件以非恒定电场原则等比例缩小时，不成比例的、 局部高场峰值出现在夹断区附近，导致载流子能量明显大于热平衡状态时的值。 而且蒙特卡罗模拟表明在这种情况下，沟道中载流子能量峰值的位置与电场强度 峰值的位置不重合。因此，载流子的能量分布不是局部电场强度的函数，而与载 流子为了获得高能量所必须横越的电场分布有关。总的说来，在长沟道器件中这 些效应不明显。但是，对于超深亚微米器件，这些效应不能被忽略。为了对载流 子“加热”过程精确建模，需要在模拟软件中考虑载流子能量与电场分布的非局 部特性。对于短沟道器件，还应当考虑速度过冲、迁移率退化等高场效应。 2 1 2 碰撞电离 当载流子的能量达到定的阈值( 对于电子大约为3 6 e v ，对于空穴大约为 5 0 e v ) ，通过碰撞电离可以产生电子一空穴对。导带中的一个电子，可以从价带中 激发一个电子进入导带，从而使导带中有两个电子，而价带中形成一个空穴，如 图2 3 所示。在这个过程中，载流子的总能量和动量保持不变。 e n e r g y c o m l u c t i o n 。 卧n - 一e l e c t r o 则ni n v ： t a n e r _ l t 氍e v e m 臀a n e l e c t r o nt o ，岖o n d a u c f i o n ba n d h o kb e h i n d 岖a ， 等m 赢 图2 3 碰撞电离过程能带示意图 总的说来，碰撞电离过程本身与电场强度没有关系。换句话说，只要电子具 有足够的能量，就可以触发碰撞电离。碰撞电离率通常表示成局部电场强度的函 数。但是当非局部的载流子“加热”起主要作用时，这些模型就不再适用了。 碰撞电离产生的多数载流子进入衬底形成衬底电流，因此衬底电流可以是碰 撞电离率很好的监测量。此外，碰撞电离产生的电子和空穴自身可以获得足够的 能量注入到栅氧化层当中去。对于n m o s f e t ，通过碰撞电离产生的热载流子对器 第二章m o s f e t 热载流子退化9 件退化的影响越来越严重。 2 1 3 栅氧化层热载流子注入 i _ 一0 2i 黯 i p o t e m i a ld u ei t oh n a g ec h a r g e ： 图2 4s i s i 0 2 界面能带示意图 图2 5 肖特基势垒降低示意图 s i s i 0 2 界面附近的载流子为了进入栅氧化层必须克服界面势垒。二氧化硅的 电子亲和能为0 9 e v ，禁带宽度大约为9 0 e v 。硅的电子亲和能为4 0 5 e v ，禁带宽 度为1 1 2 e v 。s i s i 0 2 界面处能带结合，导致电子的界面势垒为3 1 e v ，空穴的界面 势垒为4 8 e v ，如图2 4 所示。由于电子和空穴界面势垒的差异，在相同的情况下， 电子注入s i 0 2 中的量要多于空穴。由于电子和空穴界面势垒的不同，n m o s f e t 和p m o s f e t 中热载流子退化机制不同。s i s i 0 2 界面附近硅中的载流子电荷可以 在氧化层中感应出极性相反的镜像电荷，那么在加电场时载流子发射的势能因感 生镜像力的作用而降低，称这种效应为肖特基势垒降低效应，如图2 5 所示。 如果s i s i 0 2 界面处的载流子能量大于界面势垒，则注入到栅氧化层当中去的 几率比较大。图2 6 为s i s i 0 2 界面热载流子注入机制示意图。s i 。s i 0 2 界面附近硅 中的高能电子可以对二氧化硅中电势分布产生影响。穿越界面的载流子将遇到一 个位于界面和氧化层峰值电势之间的一个势阱。在这个势阱中发生的散射可以使 载流子又回到硅衬底当中去，即图2 6 中的“反射”机制。尽管由于发生散射，损 失了能量，但是载流子仍然有一定的几率通过隧穿进入栅氧化层。如果载流子在 势阱中不经过任何碰撞，能够翻越界面势垒进入栅氧化层，在图2 6 中用“载流子 输运”机制来表示这个过程。 热载流子注入是一个复杂的过程。对于超深亚微米薄栅氧化层器件，如果栅 偏压较大，将引入其它的热载流子注入机制，如f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿，直接隧穿 和界面陷阱辅助隧穿，如图2 7 所示。在对超薄栅氧化层热载流子注入现象建模时， l o 超深哑微米n m o s f e t 中的热载流子效应 需要考虑这些注入机制的影响。 l o 可i n i i i c o i t s i 0 2 筠 i 二- !茹 墨。 h 。 ， ， 图2 6s i - s i 0 2 界面热载流子注入机制示意图图2 7 各种隧穿机制示意图 2 1 4 栅氧化层退化 注入栅氧化层的热载流子，可以在栅氧化层和s i s i 0 2 界面处破坏化学键，产 生电活性缺陷，调制硅表面势，导致器件特性的不稳定。 除了热载流子注入，其它应力情况也可以在s i 0 2 中引入可动电荷。最早的关 于载流子注入对m o s 结构特性的影响的实验便是将光生载流子从硅衬底注入到栅 氧化层当中去。在这些实验当中，通过光照在硅衬底中产生电子一空穴对，然后 在衬底上施加一个大的偏压，对载流子进行加速，使其注入栅氧化层。如果电子 接近界面时，能量超过界面势垒，将注入到栅氧化层当中去。这个过程通常被称 为衬底热电子注入( s h e i ) 。同样，电离辐射也可以直接在栅氧化层中产生电子一 空穴对。 衬底热电子注入和电离辐射导致m o s 结构栅氧化层当中的可动载流子沿水平 方向均匀分布。因此，沿着器件沟道方向的栅氧化层退化也是均匀分布的。栅氧 化层当中的可动电荷可以在栅氧化层和s i s i 0 2 界面形成缺陷，引起器件特性的变 化。由于热载流子注入和栅氧化层退化的局部性，器件特性的改变与栅氧化层退 化的关系变得复杂。例如，在衬底热电子注入和电离辐射实验中，m o s f e t 栅氧 化层中的缺陷均匀分布可以很容易地通过阈值电压的等效变化反映出来。但是在 热载流子注入造成的非均匀损伤中不存在这种关系。通过衬底热电子注入和电离 辐射实验分析得到的s i 0 2 中缺陷的形成过程同样适用于沟道热载流子退化。 通过衬底热电子注入、电离辐射和热载流子注入实验发现栅氧化层缺陷的形 成造成了大多数器件参数的退化。当载流子在氧化物中输运时，与特定原子结构 第二章m o s f e t 热载流子退化i i 的相互作用形成固定的带电体，同时载流子复合，这个过程称为“电荷陷落”。这 些陷落的电荷可以长期存在于氧化物当中，影响m o s f e t 沟道中流过的电流。此 外，这些陷阱电荷的积累可以引发栅氧化层的击穿。 s i 0 2 中许多原子结构与电荷陷阱有关。通过观察电离辐射实验，发现s i 0 2 膜 中与空穴陷阱相关联的主要缺陷是氧空位( b o vb r i d g i n go x y g e nv a c a n c y ) 。许多 半导体工艺制造的s i 0 2 中存在这种缺陷。图2 8 为空穴陷落在氧空位中的过程。 氧空位就是在二氧化硅结构中两个硅原子之间缺失了一个氧原子。两个硅原子之 间的化学键较弱，一个自由的空穴靠近这个结构时，可以破坏这个弱的化学键， 产生出一个带正电的结构e 中心。 氧化层陷阱电荷可以是正电荷，也可以是负电荷，取决于氧化层陷阱中俘获 的是电子还是空穴。 薄栅氧器件热载流子效应的研究结果表明，器件退化由三种因素引起：( 1 ) 氧 化层中的电荷注入与俘获；( 2 ) 电子和俘获空穴结合引起的界面态f 2 2 】；( 3 ) s i h 键 断裂引起的界面陷阱。界面陷阱是s i s j 0 2 界面处应力形成的对器件退化有作用的 另一种类型的缺陷。这些界面缺陷在硅禁带中引入能量状态，通常称为“界面态 。 这些界面态的占据情况取决于该处的表面势。 超深亚微米器件由于工作电压太低，不能产生明显的电荷俘获，而且由于栅 氧化层太薄，俘获电荷易发生泄漏，因此电荷俘获可以忽略。与此类似，由于空 穴注入可以忽略，由电子一空穴结合引起的界面态产生已变得不重要。由于高能 电子所具有的能量不足以打断键能较高的s i o 键和s i s i 键，因此认为界面态是导 致退化的主要原因。有关界面态的产生机制有两种模型：氢释放模型【2 3 l 和碰撞电 离模型。 1 氢释放模型：m o s f e t 中与界面陷阱相关的原子结构是硅悬挂键p b 中心。 在m o s f e t 的制造过程中，硅悬挂键被氢钝化，从而使其失去电活性。氧化物中 载流子的陷落可以释放氢粒子，这些氢粒子可以移动到s i s i 0 2 界面与钝化的悬挂 键( p b h ) 发生反应，导致悬挂键变得不钝化，形成电活性的p b 中心，如图2 9 所 示。具体的形成过程可以用以下的反应式表示： h + + 三s f h 斗日+ s ?( 2 1 ) h + h 专h ，( 2 2 ) 日2 + s j 兰s ，h + h + ( 2 3 ) 兰s i h + h + + e j 三s i + h2(2-4) 兰s ，+ h + + e 一专三s ，h ( 2 5 ) 1 2 超深弧微米n m o s f e t 中的热载流予效应 相关研究1 2 4 】表明空穴h + 与兰s i h 作用，可以产生氢原子h 和三价的缺陷s i ， 如式( 2 1 ) 所示。生成的氢原子不稳定，两个氢原子生成一个氢分子h 2 ，如式( 2 2 ) 所示。h 2 又与s i + 相互作用，生成三s j h 和氢质子h + ，如式( 2 3 ) 所示。- - - s j h ，扩与 热电子e 。发生作用，生成三s i 和h 2 ，同时三s i ，h 十和e 可以发生反应，生成- - - s i h ， 如式( 2 4 ) ，式( 2 5 ) 所示。 至此，得到了界顽态产生的氢释放模型。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，引起阈值电压正向漂移、跨导降低等器件退化。 由于二氧化硅是无定形物质并且具有较大的禁带宽度，载流子在二氧化硅中 的传输机制与半导体中的传输机制不同。此外，栅氧化层中电子和空穴的传输可 以释放其它的可动粒子如氢原子或h + ，增加了热载流子退化模型的复杂度。 2 碰撞电离模型：热电子打断s i h 键，如果氢从界面扩散开来( 扩散过程导 致t “的依赖关系) ，就会产生新的界面陷阱。受主型界面陷阱的产生是引起器件退 化的主要原因，界面陷阱位于漏极附近很窄的范围内，可以减小局部可动载流子 的密度和迁移率。其过程可以用以下的反应式表示： 兰s ，h _ 专s ? + h + e 一( 2 - 6 ) 其中s i 为三价缺陷。 该反应的净产生率为【2 5 l z 6 】： 掣：尼鲁p 一意一删，( o ) ( 2 - 7 ) 沈 形 “” 一 该式右边第一项为键断率，第二项为s i 和h 的复合率。，为产生界面陷阱的 临界能量，e m 是沟道最大电场，九是热载流子平均自由程。其中k 与三s i h 键的密 度成正比，由于该键的密度非常高( 1 0 2 0 c m 。) ，因此可假定为常数。n h ( 0 ) 为h 在 界面的浓度。 界面陷阱的净产生率也等于h 从界面扩散出来的速率，可近似写成： d n 打一d h n ( o ) d tx h 式中d h 和x h 分别为氢的有效扩散常数和有效扩散长度。 综合以上两式，消去n h ( 0 ) 项可得 ( - + 等 洲开= 七等e 一去衍 积分可得： ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 第二章m o s f e t 热载流子退化1 3 瓮小n i l = h 等蔗 可见界面陷阱n i 。的生长动力学与热氧化速率非常相似。当n “较小时， 率取决于反应过程，故n i 。o c t ( 假设初始陷阱密度可以忽略) ；当n i 。较大时， 率取决于扩散过程，因此n i 。o c t o 一。在一般情况下，正如热氧化那样 虬斗钞丧) ” ( 2 一1 0 ) 该速 该速 ( 2 1 1 ) 式中1 1 在o 。5 到1 的范围内，c 为工艺相关因子，对于确定的工艺线为常量。 o 碍g e m v a c a l t , - , i 图2 8 空穴陷落在氧空位中的过程示意图 圈2 9 界面陷阱产生过程示意图 2 2 超深亚微米n m o s f e t 低工作电压下的碰撞电离机理 这一节将通过对低工作电压下碰撞电离机理的分析与讨论，说明e e s 效应对 超深亚微米n m o s f e t 热载流子退化的影响，从而揭示超深亚微米n m o s f e t 退 化的产生原因。 2 2 1