（微电子学与固体电子学专业论文）微纳米pmos器件的nbti效应研究.pdf

摘要 摘要 随着器件尺寸的不断减小，p m o s 器件n b t i ( n e g a t i v eb i a l st e m p e r a t e i n s t a b i l i t y ) 效应变得愈发明显，对c m o s 器件和电路可靠性的影响也愈发严重， 成为限制器件及电路寿命的主要因素之一。因此，研究n b t i 效应的退化现象并从 中找出其内在的产生机理进而提出抑制或消除n b t i 效应的有效措施，是当前集成 电路( i c ) 设计者和生产者所面临的迫切问题。 论文首先通过大量器件的实验测试结果分析了n b t i 应力对微纳米p m o s 器 件特性及参数的影响。重点研究了9 0 m 的p m o s 器件，发现随着应力时间的增 加，器件不同关键参数出现相同的持续性退化规律；通过不同应力温度对n b t i 效应的影响分析可知，小尺寸器件激活能值更小，n b t i 效应更容易发生，并得到 了器件寿命与温度之间的关系式；在栅压应力对器件n b t i 效应的影响研究中，发 现p o 、e r - l a w 栅压应力模型更适合对薄栅氧器件寿命进行预测，而厚栅氧器件则可 以采用传统模型进行预测；在s 1 r i 边缘效应作用下，沟道宽度由宽到窄再到超窄 过程中，器件退化出现了极小值现象；在沟道两侧边缘即栅漏、栅源交叠区的边 缘效应作用下，器件在沟道减小过程中边缘部分占整个沟道的比值增大，边缘效 应增大，n b t i 效应引起的退化增大。 论文对基于氢相关物质的反应扩散( r d ) 模型进行了推导，从理论上说明了 n b t i 退化的具体过程。通过与实际实验数据相结合分析发现，器件退化在相当长 的一段时期内与时间服从指数在o 2 5 o 5 范围内的幂函数关系，从而得出n b t i 反 应产物包括旷离子的结论。 论文研究了在d n b t i 与b n b t i 应力作用下器件的退化现象及其机理。由于 横向电场引发的热载流子效应以及局部损伤的增强，器件退化量及器件退化与时 间的关系指数在h d n b t i 应力下都要比单独n b t i 应力下的大；当漏压应力小到 一定程度时，器件内部的电场分布与n b t i 应力下情况基本相同，从而导致器件退 化及时间指数都与单独n b t i 应力下的相近；在高漏低栅应力作用下，发现器件退 化表现为正电荷的退化机制，这是因为在沟道区域进入氧化层的空穴可以补偿由 横向电场引起的近漏端的电子注入；在b n b t i 应力作用下，衬底偏压应力产生的 热空穴效应会加剧器件退化，使器件退化出现拐点现象，在拐点之前的器件退化 斜率小于拐点之后的器件退化斜率，交替应力实验结果证明器件中由热空穴导致 的界面陷阱不能恢复。 论文对p m o s 器件的动态n b t i 效应进行了研究。首先对负栅压正栅压负栅 压循环应力对n b t i 效应的影响进行了分析，发现器件恢复主要包括三个阶段，其 微纳米p m o s 器件的n b t l 效应研究 中对器件恢复起主要作用的是第一阶段即快速恢复阶段，该阶段主要是由栅氧中 陷落的正电荷发生退陷作用返回器件表面沟道所造成的；器件恢复是一种不完全 恢复，最终会达到恢复饱和状态，其最终退化量与恢复应力大小、应力温度、应 力周期等密切相关。采用高低幅度负栅压交替应力对p m o s 器件的退化恢复进行 了n b t i 效应的实时监测，在低幅度负栅压下器件的恢复主要是由栅氧俘获空穴发 生退陷作用造成的；较大尺寸器件的漏电流恢复为逐渐的连续性恢复，最终退化 量大小主要是由退化过程中界面陷阱的产生和由恢复电压所决定的可以在栅氧中 保持陷落的正电荷所造成的；很小尺寸器件的漏电流表现为非连续性的阶跃式恢 复，随着退化应力电压的增加，器件漏电流恢复阶跃频率相应增加。 论文研究了p m o s 器件n b t i 应力过程中的s i l c 现象。s i l c 与n b t i 应力 时间或n b t i 退化量均呈现出规律的幂函数关系。通过研究，认为双界面陷阱及氧 化层电荷的辅助隧穿导致了s i l c 的峰值现象。另外，关态s i l c 峰值现象与界面 陷阱、氧化层电荷密切相关，通过峰值差值法得到了差值s i l c 与时间的关系，并 通过与亚阈摆幅变化的比较，发现两种方法得到的数据变化退化趋势相同，从而 认为双峰差值法可以反映器件界面陷阱的变化。 关键词：p m o s f e tn b t i 界面陷阱氧化层电荷热载流子 a b s t r a c t a b s t l a c t w i t l lt l l ec o n t i i m o u ss c a l i n gd o w no ft l l ed e v i c es i z e ，n b t ib e c o m e sm o r ea i l d m o r es 嘶o u s ，a n dh a sb e e no n eo ft h em o s th p o n a n tl i m i t i n gf i 妃t o r st op m o s f e t s a i l dc i r c u i t s “危t i m e t h e r e 南r e ，n b t ip h e n o m e n o na i l dm e c h a i l i s m ss t u d ya 1 1 dt of i n d t h em e 廿l o d so fr e d u c i n gt h en b t ie 琢；c th a v eb e e no n e e x i g e n tp r o b l e mf o rt l l ei c d e s i g n e r sa n dp r o d u c e r s ：f i r s t l y t 1 1 ed i s s e n a t i o nb e g i n s 谢t l ln l ee x p e r i m e mr e s u l t so f9 0 mp m o s f e t s u 1 1 d e rn b t is 仃e s s w i t l li n c r e a s i l l go f 也et i r n e ，t l l ek e yp 黜嫩1 e t e r so fd e v i c es h o wt l l e s 锄ea r l dc o n t i n u o u sd e 伊a d a t i o n t h em 曲e rm et e m p e r a t u r ei s ，也es m a l l e rn l ea c t i v i 锣 黜唧o f 也es m a l ld e v i c e si s ，a i l dt l l ee 嬲i e rn b t io c c u r s n ep o w e r - l a w m o d e li s m o r es u i 讪l ef o rm e f o r e c a s t i n gl i f e t i m eo f 吐l i i l i l e ro x i d ed e v i c e s ，w m l em e 砸d i t i o 砌 m e t l l o df 0 rt h et 1 1 i c k e r w h e nt h ec h 锄e l 谢d _ t i lb e c o m e sf b o m 、) i ，i d et 0l l l 仃a 彻r r o w 诵t 1 1m ee 虢c to fn l es t ie d g e ，t l l en b t id e 伊a d a t i o nc o m e sf o m lam i n j m u mp o 硫 w i mt h ec h 锄e ll e n 啦e d g ee 彘c t ，m es h o n e r 也ec h 锄e ll e n g t l li s ，m el 鹕e rm er a t i o o fe d g ee 虢c ti 1 1 吐i ew h o l ec h a 衄e ld e 口a d a t i o n ，a 1 1 dt 1 1 em o r es 耐o u so fm en b t i d i 蹭砰d a t i o n n e x t ，n l er e a c t i o n d i 插u s i o nm o d e lb a l s e do nhr e l a t e ds p e c i e si ss t u d i e d ，a n dt h e p r o c e s so fm en b nd e g r a ( 1 a t i o ni se x p l a i n e d c o m b i n e d 砸mm ee x p e 血1 e n tr e s u l t si n 砌c hm ed e 野l d a t i o ns h o w sat i i n ee x p o n e m0 2 5 0 5 ，w ec o n c l u d em a tm er e a c t i o n p r o d u c t si n c l u d e 矿i o n s n l e 玑廿1 ed e g m d a t i o nb e l l a v i o r sa 1 1 dm e c h a l l i s m so fd n b t i 黝db n b t ia r e s t u d i e d u n d e rh d n b t is 眈s s ，如rt h eh o tc a 而e r sc a u s e db yn l cl a t e r a le l e c t r i cf i e l d a l l dm es 仃e n g t l l e n e d1 0 c a l i z e dd 锄a g e ，t 1 1 ed e 影l d a t i o na i i l o u l l t 觚dm et i i n ee x p o n e n t g e tl a r g e rt h a nt h en b t is 讹s s w h e nt h ed r a j nv o l t a g es 骶s sg e t ss m a i ie n o 咄t h e a 【b o v e m e n t i o n e d 咖v o h l m e sa r ea l m o s tt 1 1 es a m et ot h a tu n d e rn b t is t r e s sf o rt l l e s i i l l i i a rd i s t r i b u t i n go ft h el a t e m la i l dv e n i c a lf i e l d s u n d e rl l i g hd r a j nv o l t a g e 锄dl o w g a t ev o l t a g es t r e s s ，w ef i n dt l l a tn l ed e v i c ea l s os h o w sap o s i t i v e c h a r g ed e g r a d a t i o n m e c h a n i s ma st h ec h 锄e ii 坷e c t i o nh o l e sc a nc o m p e n s a t et h en e a r - d r a i nr e g i o ne i e c t r o n i 巧e c t i o nc a u s e db ym el a t e m le l e c t r i cf i e l d u n d e rb n b t is t r e s s ，m eh o tc a j 五e r sc a u s e d b y m es u b s t r a t eb i a sc a i le x a c e r b a t et l l e d e 伊a d a t i o n ，a n dr e s m t si ni n f l e x i o n p h e n o m e n o n t h ed e 舯d a t i o np a c et u m sl a r g e r 、v h e nt h es u b s t r a t eb i 嬲i sh i g h e rt h a n t h ei n f l e x i o np o i n t t h er e s u i t so ft h ea i t e m a t es t r e s se x p e r i m e n ts h o wt 1 1 a tt h ei n t e 矗犯e 微纳米p m o s 器件的n b t i 效应研究 t r a p sg e n e r a t e db yt h eh o th o l e sc 舢o tb e 猢e a l e d ，w h i c ha r ed i a e r e n t 疔o mt h o s e g e n e l a t e db yc o m m o nh o l e s a n dt h e n ，t h ea l t e m a n tn b t ie f f - e c ti ss t u d i e d f i r s t l y ，n e g a t i v e p o s i t i v e - n e g a t i v e v o l t a g es t r e s sm o d ei sa p p l i e d a n dt l l er e c o v e up r o c e s si n c l u d e sm r e es t 印s ，a n dt h e f i r s ts t 印c a u s e db yt h ed e t f 印p i n go fp o s i t i v ec h a 略e si n 妇o x i d ep l a y st 1 1 em o s t i m p o i r t a n tr o l ei nm er e c o v e 够t h er e c o v e r yi su n c o m p l e t e da 1 1 dr e a c h e st h es a t u r a t e d s t a t ef i n 铂l y t h ef i n a ld e 铲a d a t i o ni sr e l a t e dt om er e c o v e d rs 蜘e s s ，t e n l p e r a m r ea l l dt l l e s t r e s ss t y l e s s e c o n d l y ，t h eh i g h - l o wn e g a t i v ev 0 1 t a g es t r e s sm o d ei sa d o p t e dt od e t e c t n l en b t id e g r a d a t i o ni nr e a l lt i m e u n d e rt h el o w e rn e g a t i v ev o l t a g es 骶s s ，t 1 1 er e c o v e 巧 i sm 撕n l yc a u s e db yt l l eh o l ed e t r a l ) p i l l g t h el a r g e rs i z ed e v i c es h o w sa 伊a d u a l r e c o v e r ya n dg e t si i l t os 捌i o nw h e nl o n gr e c o v e 巧t 妇ei si n v o l v e d f o rm es m a l l s i z ed e v i c e s ，t l l es t 印- 1 i k er e c o v e 巧o fd r a i l lc u r r e n ti so b s e r v e d 加1 d 嘶mm em c r e a s i n g o ft l l ed e 乎a d a t i o ns 仃e s sv o l t a g e ，t l l er e c o v e 巧s h o w sa1 1 i g h e rj u l i 】p i i l g 抒e q u e n c y f i n a l l y ，t 1 1 es i l cd 嘶n gn b t is t r e s si sa 1 1 a l y z e d 1 1 l es i l cs h o w sp e r f b c tl m e a r r e l 撕0 nt 0m en b t is 仃e s st 妇e0 r 钍l en b t id e g 例d a t i o ni 1 1t h ed o u b l e l o gc o o r d i i l a t e t h ed o u b l e s i d ei n t e m l c es t a t e sa i l do x i d ec h a 唱e sa u s s i s t e dt u i l i l e l i n gi su t i l i z e dt o e x p l 咖血es i l cp e a l ( sa 1 1 ds h o w st t l a tm ep e a k so fs i l ca r ec i o s e l yr e l a t e dt om e a b o v et w qf ；l c t o r s w | eg e tt h ed i 彘r e n c eo ft h et 、os i l cp e a l 【s ，a 1 1 dt 1 1 e 坞t h r o u 曲t h e c o m p a r i s o n 、析t l lt i l es u b t l l r e s h o l ds w i i l g ，w e6 n dt b er e s l l l t s 丘l o mt l l eb o mm e t h o d s h a v em es 锄ed e 舒a d a t i o ns i o p e t h e r e f o r e ，l ed i 蜀f e 陀n c eo fn l e 柳os i l cp e a k sc a i l b e 也o u 曲tt 0r e n e c tt 王1 ec h a n g eo f t 王l ei 1 1 眺e s t a t e s k e yw o r d s ：p m o s f e t n b t ii n t e r f a c es t a t 鹤o x i d ec h a r g 船h o tc a r r i e r s 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导帅指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 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它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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：兰燃日期五丛：! 之：蛰 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。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的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：撖日期丛壁：至：磐 导师签名： 醐粕k 7 第一章绪论 第一章绪论 自从1 9 4 7 年发明了第一支晶体管，半导体集成电路在二十世纪后三十年有了 极大的发展。该发展很大程度上推动了世界性的产业革命和人类社会的进步。今 天在我们每个人的日常生活中，英特网、手机的普及和计算机在各个领域的大量 应用已经使我们进入了信息时代。在这中间起决定性作用的是在硅晶片上工作的 c m o s 场效应晶体管的发明以及它的制造工艺的不断发展和以它为基础的超大规 模集成电路设计手段的不断改进。在未来的一段时间内，硅基c m o s 工艺仍然会 是微电子产业的主流，而硅基c m o s 器件的可靠性问题也仍然是现在国际上研究 的热点。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 超大规模集成电路发展及器件可靠性概述 晶体管的发明将人类历史带入又一次新的技术革命，使人类继石器时代、青 铜器时代、铁器时代之后，又进入了新的硅器时代。尤其是进入上世纪6 0 年代以 后，随着m o s 晶体管和m o s 集成电路的出现，微电子工业开始了进一步的蓬勃 发展，将人类社会带入了一个高度集成的数字时代。m o s 集成电路规模迅速发展， 单个芯片集成电路上的晶体管数量大约每3 年增加4 倍，使集成电路从小规模到 中规模，再到大规模直至发展成为超大规模集成电路。1 9 6 5 年，gm o o r e 总结了 集成电路发展的规律，提出了著名的“摩尔定律”，即集成电路的集成度每3 年增长 4 倍】。图1 1 为g o r d e nm o o r e 的原始预测草图。从v l s i 超大规模集成电路的发 展来说，高性能和高可靠性是其发展的两个方向。集成电路一方面是朝着更大规 模的集成度发展，芯片上有更多的晶体管，也就能完成更多的功能，而从一代到 另一代芯片的转化过程中，由于较高的集成度使完成每项功能的价格降低，从而 使其基本价格变小，这是集成电路技术发展的原动力。另一方面，可靠性问题成 为v l s i 超大规模集成电路发展和应用中的重要考虑因素，可靠性问题的提出是与 电子工业迅速发展的以下三个特点分不开的。电子产品( 设备) 的复杂程度在不断增 长，电子产品复杂程度的重要标志是所需元件的数量越来越多。一般说来，电子 设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，对于串联系统来说，其设 备可靠度为所用元器件可靠度的乘积。现代化的复杂系统的电子元器件数量一般 在上百万、上千万，对元器件可靠性要求更高。电子设备的使用环境日益严酷， 电子设备的使用地域从实验室到野外，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，还有 微纳米p m o s 器件的n b 丁i 教应研究 使用在热带、寒带、赤道、南北极俑极站) 等地的。各种不同地方的电子设备经受 不同的环境条件。一般说来，使用条件越严酷，产品失效的可能性就越太，所以 对可靠性要求就越高。电子产品的器件密度在不断增长，集成电路由s s i 经m s i 发展到l s i 、v l s i 、u l s i ，器件密度不断增高，因而集成电路内部的环境温度逐 渐上升，所以对可靠性的要求也不断提高。为此各国都建立r 许多机构，研究提 高集成电路段器件的可靠性问题。”。 图1 1 摩尔定律的原始草图 可靠性定义中“规定的时间”即常说的“寿命”，根据国际通用标准，常用电子产 品的寿命必须大于1 0 年。显然，不可能将一个产品放在正常条件下运行1 0 年再 来判断这个产品是否有可靠性问题。可靠性评估采用“加速寿命测试( a c c e l 盱d 刚 l j f e t e s t ，a l t ，把样品放在高电压、大电流、高湿度、高温、较大气压等条件下 进行测试，然后根据样品的失效机理和模型来推算产品在正常条件下的寿命。通 常的测试时间在几秒到几百小时之内。所以准确评估集成产品的可靠性，是可靠 性工作者一个最重要的任务。当测试结果表明某一产品不能满足设定的可靠性目 标，我们就要和产品设计、工艺开发、产品生产部门一起来改善产品的可靠性， 这也是可靠性工作者的另一重要职责。当产品生产中发生问题时，对产品的可靠 性风险评估是可靠性工作者的第三个重要使命。 九十年代以来，集成电路技术得到了快速发展，特征尺寸不断减小，集成度 和性能不断提高。为了减小成本，提高性能，集成电路技术中引入大量新材料、 新工艺和新的器件结构。这些发展给集成电路可靠性的保证和提高带来了巨大挑 战： ( ”随着特征尺寸的缩小，工艺中的一些关键材料己接近物理极限，其失效 模型发生了改变，这对测试方法以及寿命评估都带来了严峻挑战。同时，一部分 失效机理的可靠性问题变得非常严重。例如n b t i 报道于1 9 6 7 年，其对较大尺寸 的半导体器件性能影响并不大；然而随着器件尺寸的减小，栅极氧化层上的电场 越来越高，工作温度也相应提高，器件对工作闺值电压越来越敏感，n b t i 已成为 第一章绪论 3 影响集成电路可靠性的关键问题【l 5 j 。 ( 2 ) 新材料和新工艺的引入导致了新的可靠性问题。例如为了减小金属互连 对器件速度的延迟，低k 和超低k 介质被引入到金属互连制造过程中。由于其机 械、电学和热学性能远远低于传统的二氧化硅材料，( b r e a l ( d o w nv o l t a g e ) 和 t d d b ( t i m ed e p e n d 锄td i e l e c t r i cb r e a l ( d o 、n ) 寿命，以及由低k 材料和高密度倒装 芯片封装引起的新失效机理c p i ( c 1 1 i pp a c k a g ei n t e r a c t i o n ) 已成集成电路可靠性 的制约。 ( 3 ) 尺寸的缩小和集成度的提高对可靠性的测试带来了挑战。尺寸缩小导致 器件对e s d ( e l e c 仃0 s t a t i cd i s c h a r g e ) 变得更加敏感。封装测试中的e s d 问题会严 重影响可靠性评估的成功率和准确性。集成度的提高也使一些常见可靠性评估因 时间变长而显得非常困难。如4 g f l a s h 记忆体的传统1 0 0 k 耐久性测试会超过2 0 0 0 小时，严重影响新工艺可靠性评估的及时完成。 因此，集成电路的快速发展给可靠性保证带来了巨大的挑战。集成电路工作 者要进一步深入研究可靠性物理和失效机理，加强可靠性工程相关工作；同时也 要和产品设计、工艺开发和生产部门紧密合作，以减少可靠性对集成电路特征尺 寸进一步缩小的制约，并保证产品保持足够的可靠性容限( r e l i a b i l n y a l l o w a n c e ) 。 1 1 2n b t i 效应研究的历史背景及其对器件和电路的影响 表1 1 不同工艺节点下主要的器件结构参数 泳型 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 l l2 0 1 2 d r a m 半节距( 舢)6 55 75 0 4 54 0 3 6 缩小率o 8 8 0 8 80 9 00 。8 9 o 9 0 御u 物理栅长( 衄) 2 52 32 01 81 61 4 缩小率0 9 20 8 70 9 0o 8 90 8 8 ( v ) 0 8 00 8 0o 8 00 7 0o 7 00 6 0 晶圆片直径( m m ) 3 0 03 0 03 0 03 0 03 0 03 0 0 0 r 4 5 0 随着超大规模集成电路技术的迅速发展，m o s f e t 的尺寸在不断减小。表1 1 给出了不同工艺节点下器件的主要结构参数。从表中可以看出，在m o s 器件按比 例缩小尺寸的同时，工作电压并未相应地等比降低，这使得m o s 器件的沟道电场 和氧化层电场显著增加，导致从前可以忽略的短沟道效应和薄栅氧化层效应变得 越来越严重。当m o s 器件的特征尺寸达到超深亚微米时，栅氧化层厚度进一步变 薄，各种失效模式对超深亚微米m o s 器件的影响不可忽视【i 小0 1 。关于器件可靠 4 微纳米p m o s 器件的n b t i 效应研究 性目前的研究领域主要集中在晶体管可靠性、静电损伤和闩锁、互连可靠性和器 件工艺可靠性等几个主要方面。 图1 2c m o s 电路中氧化层电场e 。随时间的关系 其中引起晶体管器件可靠性问题的主要效应包括：热载流子效应h c e ( h o t c a r r i e re 虢c t ) ，与时间有关的栅氧化层经时击穿效应t d d b ( t i m ed e p e n d e n t d i e l e c t r i cb r e a l ( d 伽m ) ，负偏压温度不稳定性效应n b t i ( n e g a t i v eb i a st e m p e r a t u r e i 玎s t a b i l i 啪等。与其他引起器件退化的效应相比，如h c i ，n b t i 受到人们的关注 较晚。随着器件尺寸与工作电压的非等比减小，器件栅氧化层电场逐渐增大( 见 图1 2 1 j ) ，n b t i 效应引发的退化日益显著。很多人对n b t i 引起的器件退化进 行了研究，发现当栅氧化层厚度减薄到一定程度时，n b t i 引起的退化将超过其他 效应的影响，成为限制器件寿命的瓶颈之一【1 1 2 ，1 1 3 】。图1 3 为人们对器件栅氧厚度 减薄后，n b t i 效应将超过h c i 效应的影响而成为器件寿命主要影响机制的预测 4 j 。由于m o s 晶体管尺寸的急剧减小，栅氧化层厚度也随着减小到2 m n 甚至更 薄。为了提高晶体管特性，减小栅氧化层的泄漏电流，在栅氧化层中引入氮原子 已经成为一种工艺标准，而氮原子的引入在一定程度上加剧了器件n b t i 退化i l 。1 4 ， 5 1 。因此，在当代m o s 制造工艺条件下，n b t i 效应尤其值得关注。 图1 3 栅氧厚度1 o x 与影响c m o s 器件寿命的主要退化机制关系 第一章绪论5 n b t i ，即负偏置温度不稳定性，通常指p m o s 管在高温、强场负栅压作用下 表现出的器件性能退化，典型温度在8 0 一2 5 0 的范围内，如图1 4 所示。n b t i 退化表现为器件的关态电流( 坳增大，阈值电压( ) 负向漂移，亚阈摆幅( s ) 增 大，跨导( g 而) 和漏电流( 玩) 减小等。 t = 图1 4 n b t i 效应示慈图 图1 5 给出了典型的p + 栅p m o s f e t 中n b t i 的退化情况。从图中可以看出， 正如前面介绍所言，n b t i 应力后，器件漏电流减小，跨导峰值降低，同时阈值电 压负向漂移。这是由于p m o s 器件在n b t i 应力条件下，器件沟道处于强反型状 态，沟道中的空穴在电场作用下注入栅氧化层产生界面态和氧化层电荷，从而引 起器件参数的退化。 ( a )( b ) 图1 5n b t l 应力后( a ) 器件转移特性和跨导的退化( b ) 器件输出特性的退化 另外，随着现代微电子技术工艺的发展和其性能要求的提高，n b t i 效应在微 电路可靠性方面导致的问题日益严重，具体表现在：它导致模拟电路中高精度晶 体管对的失配，从而影响电路性能要求甚至影响功能的实现；数字电路中p m o s 管的饱和驱动电流i d s 砒的退化，引入时序问题，影响数字逻辑的实现甚至产生逻辑 错误；而在环形震荡器当中，p m o s 管的退化使得栅极过驱动电压( 珞) 减小， 、iu墨30 u l 芒o 6微纳米p m o s 器件的n b t i 效应研究 导致电流减小，振荡器频率退化，另外，n b t i 还会对电路的噪声容限产生影响。 当然对于具体电路，n b t i 引起p m o s 管的参数退化还将引起具体的影响与性能退 化。目前，n b t i 效应导致的器件参数漂移已成为大多数工厂要解决的重要问题。 1 1 3n b t i 效应研究意义 与研究相对比较成熟的h c i 效应相比，n b t i 效应的研究相当于还处在初级阶 段，它是在六十年代末期才开始走入人们视野的。尽管n b t i 退化的确切起因还 不是完全确定，但人们普遍认为，在高温和恒定栅压应力下的数字和模拟电路中， n b t i 效应引发器件损伤，正电荷在s i s i 0 2 界面处或栅氧化层中的积累导致了 m o s f e t s 特性的退化，氢或硼在其中可能发挥了重要的作用。在人们首次发现 n b t i 后的几十年中，由于埋沟器件的应用以及h c i 效应的普遍研究，n b t i 效应 没有得到人们的足够重视。随着m o s 晶体管尺寸的急剧减小，栅氧化层厚度下降 至2 姗甚至更薄。为了提高晶体管性能，人们通过不同的氮化工艺在栅氧化层中 引入氮原子。氧化层掺氮是为了减小栅氧的泄漏电流并抑制从重掺杂多晶硅到衬 底的硼穿通。另外，为了限制由于器件尺寸变小导致的短沟效应和提高器件特性， 近年来的器件大多由埋沟转化为表面沟道。在这些因素的作用下，在p + 栅p m o s 器件中n b t i 效应引发的退化越来越严重，逐渐成为器件可靠性的主要问题之一 【l j 纠_ 8 】。n b t i 效应对p m o s f e t 的速度和参数的严重影响对于电路设计师来说是 非常严重的问题，尽管电路设计者考虑了标准工艺的变化，但是n b t i 效应会引 入难以预计的时序延迟，使得电路性能变差乃至失效。随着晶体管尺寸的不断缩 小，研究者对n b t i 效应的影响投入了更多的关注，但得到的结论却不尽相同， 因此还需要进一步的深入研究。 m o s 器件中的h c i 和n b t i 效应是影响可靠性的重要因素。对于目前采用特 征尺寸在9 0 啪以下工艺的m o s f e t ，其h c i 和n b t i 可靠性分析成为高性能设 计和高可靠性应用中的重要环节。大量实验表明，当器件尺寸进入超深亚微米后， 器件的可靠性退化机制将发生显著变化 1 1 9 正2 6 】，因此各种失效模式之间的相互作 用需要进一步的分析研究。m o s 器件中的h c i 效应的增强源于器件尺寸的不断缩 小，沟道中横向和纵向电场的增加。而随着器件沟道长度和栅氧厚度的不断缩小， 尤其是采用低电压供电和氮化栅介质层的情况下，n b t i 效应逐渐成为影响超深亚 微米器件可靠性的主要因素之一。对于n b t i 和h c i 这两种单独的效应，人们已 经进行了大量的研究，但是对于h c i 和n b t i 效应对器件共同作用的研究则比较 少。在当前的超深亚微米制造工艺下，在实际的电路应用中，这两种效应的共同 作用很可能会导致器件退化新的特点及情况的出现，这都需要对其作用方式和物 理机制加以研究。只有在了解其真正的物理机制的基础上，才有可能从电路设计 第一章绪论 7 和工艺角度采用适当的方法来抑制n b t i 与h c i 对器件可靠性的影响。 很多人认为p m o s 器件中的n b t i 退化是与负栅压应力下沟道反型层中的空 穴密切相关的【1 2 7 。1 3 0 1 。在对n b t i 退化机理研究中，普遍认为是s i s i 0 2 界面发生 的电化学反应引起n b t i 效应，也就是说，在n b t i 应力过程中，由于表面空穴参 与而产生的界面陷阱( s i 3 三s i ) 是引起n b t i 效应的主要原因。在c m o s 器件栅 氧化层中h 是最常见的杂质，也是硅悬挂键主要的成键物质并在n b t i 反应过程 中起主要作用。在n b t i 应力条件下，空穴在电场的作用下可以使s i h 键分解， 反应式如方程s i 3 三s i h _ s i 3 兰s i + h ，从而形成界面陷阱，造成器件的退化。因此 反型层空穴对p m o s 器件n b t i 退化有着举足轻重的作用。在许多电路中，如多 重阈值电压c m o s 电路，m o s 器件会利用衬底电压虼来控制器件阈值电压的大 小，而与此同时，衬底电压也同样改变着可以到达栅氧化层与s i h 键相作用的空 穴的数量和能量，从而会导致器件n b t i 退化中新的情况的出现。现在人们对n b t i 退化中衬底电压的影响机制还不是很清楚，这方面的文献资料相对较少，还有待 于进一步的研究分析。 n b t i 效应退化可以在应力电压取消后得到部分恢复，钝化过程中所施加的电 场对n b t i 退化的恢复非常重要。图1 6 给出了交替应力条件下p m o s f e t 阈值电 压漂移百分比与时间的关系，其应力过程为施加= 一1 8 v 的负偏置应力 1 0 0 0 s ，再将栅压应力改为彻蟹，= + 1 8 v ，应力时间为2 0 0 0 s ，重复两个周期。 可以看出器件参数的退化在正栅压应力下得到了一定的恢复。以往人们对n b t i 的研究集中在d c 应力情况下，即传统的n b t i 研究，是在高温条件下对p m o s 器件施加一恒定的负偏压，然而对于实际的p m o s 器件，例如c m o s 反相器中的 p m o s f e t ，在实际工作中其栅压是在“高”与“低”之间转换的，从而可以认为传统 直流应力下的静态s n b t i 测量过高估计了p m o s 器件的退化，低估了器件寿命， 而动态d n b t i 效应延长了电路中p m o s f e t s 的工作寿命。因此，为了更准确地 预测器件寿命，研究动态应力下的n b t i 效应就变得尤为重要。另外，在n b t i 的恢复过程中，有人推测h 相关物质起到了一种可逆的作用，认为h 相关物质的 回扩散钝化了界面陷阱，即硅的悬挂键，从而使s i s i 0 2 界面处的界面陷阱减少， 导致n b t i 退化在消除负栅压应力后有所恢复【1 3 1 ，1 3 2 】。然而很多文献中并没有将 栅氧化层俘获的正电荷在恢复电压作用下的变化情况纳入考虑范围。实际上，只 要栅氧化层中有正电荷的积累，那么在改变栅压条件后，正电荷的状态必然会改 变，从而会对n b t i 的恢复产生影响。只有将这两种因素对n b t i 退化和恢复的作 用加以区分，才能更深刻地理解n b t i 的内在机理，才可能从设计和工艺等其他 方面提出抑制n b t i 效应的方法。 8微纳米p m o s 器件的n b t i 效应研究 图1 6p m o s 器件交替应力下n b t i 的退化与恢复效应 当前对n b t i 效应的研究主要是通过间断应力提取器件参数的方法来进行的。 研究发现，测试时间对n b t i 退化参数的提取有着非常明显的影响【l _ 3 3 j ，即使是参 数提取的测试顺序不同，得到的参数值也有很大区别。有人认为这种瞬时效应主 要是由氧化层浅陷阱电荷的退陷造成的【l 3 4 1 。所以，为了更精准的提取器件参数， 应尽可能减少测试程序数量，减少测试时间。这就需要对探测手段的进一步改进。 改进包括以下几个方面，一是测试程序数量不变，但程序的测试时间减小，二是 用更少的测试程序得到更多的器件参数，三是采用实时测量，完全消除测试时间 的影响，但这是以部分器件参数不能提取为代价的。对探测手段的进一步改进， 实质上也是为对器件退化的更精准描述做准备。而在这方面，人们还没有投入更 多的精力，需要进一步的开发和应用。 综上所述，n b t i 效应对器件可靠性乃至集成电路可靠性都有着十分重要的影 响，从而对其进行深入研究十分必要。本论文将围绕9 0 眦p m o s 器件的n b t i 效 应及相关研究方向，着眼于国内超深亚微米器件和集成电路可靠性研究技术发展 的需求，争取在超深亚微米器件可靠性方面取得一定的进展和突破。 1 2n b n 研究的现状及进展 随着器件尺寸的减小，n b t i 效应对超深亚微米器件可靠性的影响越来越严 重，对n b t i 效应的研究也逐渐成为国际上器件可靠性方面新的研究热点。国内外 高校、半导体公司及i c 生产厂家都陆续展开了对n b t i 效应的研究，目前的研究 主要集中在n b t i 退化现象、退化机理、动态n b t i 效应的研究以及不同工艺条件 对n b t i 效应的影响等几个方面，并且在这几个领域都取得了一定程度的进展。 n b t i 在m o s 器件发展的早期就被意识到，人们于1 9 6 7 年第一次观察到n b t i 现象1 1 3 副。d e a l 将它命名为v i 号不稳定性。贝尔实验室的g o e t z b e r g e re t 面最早给出 了在负偏压、温度应力下器件特性的变化【l 。3 引。早期以氧化层为栅介质的m o s 器件 第一章绪论 9 虽然表现出了n b t i 效应，但并没有受到人们的重视。直到1 9 9 9 年前后，氮氧化物 成为先进c m o s 工业标准，而同时氮氧化物介质又加重了n b t i 效应，这才使得 n b t i 效应的研究重新走入人们的视野，并迅速发展成为国际上的研究热点。 飚m i z u l ( an 报道了采用超薄栅氧p m o s 器件中由n b t i 引发的器件阈值电压退化取 代n m 0 s f e t 中h c i 退化，成为限制器件寿命的主要因烈1 t 3 7 j ，同时他们还认为在 不同工艺条件下，表征温度对n b t i 退化影响程度的激活能历也不同，历值范围在 o 1 0 3 5 e v 之间。虽然人们都普遍接受n b t i 退化与时间呈现的幂函数关系，然而该 幂指数值并没有得到完全一致的看法。a o n oh 认为不同的测试条件会影响所提取 的n b t i 退化与时间的依赖关系l l 。3 引。gt 验证了在不同的测试条件下器件参数 的n b t i 退化不同l l 驯。另外，有人认为n b l r i 并不是简单的只与器件的纵向参数相 关，器件的横向参数对其影响也非常大，但其影响机制还莫衷一是【1 3 9 ，1 柏】。 人们对n b t i 退化机理也做了大量的研究，虽然还没有达到完全认识的程度， 但还是取得了一定的成果。普遍认为，s i s i 0 2 界面处界面陷阱的产生和氧化层中 正电荷的积累