（微电子学与固体电子学专业论文）单轴应变硅mos器件栅电流研究.pdf

摘要 舢川洲川册川舢一 y 2 0 6 7 9 7 8 s i 基应变材料( 应变s i 、应变s i g e ) 能提高载流子迁移率，已经成为高速 高性能半导体器件和集成电路的研究重点。栅电流对器件和集成电路的影响至关 重要，而关于应变硅器件栅电流研究较少。因此，本文主要研究应变s i m o s 器件 栅电流。 首先，分析了栅泄漏电流的产生机制。基于载流子纵向输运机制，结合栅泄 漏电流的主要构成，分析表明栅泄漏电流主要由载流子的栅隧穿和热发射引起。 对于栅隧穿，现在m o s 器件的栅介质厚度已小于3 n m ，故主要的隧穿机制是直接 隧穿。对于载流子的热发射，主要由热载流子效应引起。 然后，从量子力学机制出发，建立了单轴应变硅隧穿栅电流模型，得到栅隧 穿电流与器件结构参数、偏置电压以及应力的关系，并利用m a t l a b 软件对该模型 进行仿真。仿真分析结果与单轴应变硅n m o s f e t s 的实验结果吻合较好，表明该 模型可行。同时与具有相同条件的双轴应变硅n m o s f e t s 的实验结果相比，隧穿 电流更小，从而表明单轴应变硅器件在栅隧穿方面具有优势。 最后，从热载流子效应以及幸运热载流子模型出发，建立了单轴应变硅热载 流子栅电流模型，研究了热载流子栅电流与器件结构参数、偏置电压以及应力的 关系，并利用m a t l a b 软件对该模型进行仿真。将仿真结果与体硅器件的热载流子 栅电流实验结果进行比较，仿真分析结果与实验结果吻合较好，表明该模型可行。 同时，该仿真结果表明单轴应变硅器件的热载流子栅电流比体硅器件的栅电流小， 并具有较好的热载流子稳定性。在经时击穿( t d d b ：t i m ed e p e n d e n td i e l e c t r i c b r e a k d o w n ) 方面，单轴应变硅器件具有较长的寿命。表明单轴应变硅器件在热载 流子方面具有优势。 关键词：单轴应变硅m o s 器件栅泄漏电流直接隧穿热载流子效应 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 a b s t r a c t a b s t r a c t s i b a s e ds t r a i n e dm a t e r i a l( s t r a i n e d s i ，s t r a i n e d s i g e ) c a l li m p r o v et h ed e v i c e p e r f o r m a n c ed u et ot h ee n h a n c e dc a r r i e rm o b i l i t y , a n dh a sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t si n h i g h - s p e e d h i g h - p e r f o r m a n c ed e v i c e sa n dc i m u i t s a n d ，g a t ec u r r e n th a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nd e v i c e sa n di c ，h o w e v e r , t h e r ei sl i t t l er e s e a r c ha b o u ts t r a i n e ds i l i c o nd e v i c e s g a t ec u r r e n t s o ，t h eg a t ec u r r e n to fs t r a i n e ds im o s i si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i s mo fg a t el e a k a g ec u r r e n ti sf i r s t l ya n a l y z e d b a s e do n c a r r i e r s t r a n s f e rv e r t i c a l l y ，c o m b i n e dw i t ht h em a i nc o m p o n e n to f g a t el e a k a g ec u r r e n t ， t h ec o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tt h eg a t el e a k a g ec u r r e n ti sm a i n l yi n d u c e db yc a r r i e r s g a t et u n n e l i n ga n dt h e r m a le m i s s i o n f o rg a t et u n n e l i n g ，n o wm o s tm o s d e v i c e s g a t e d i e l e c t r i ct h i c k n e s si ss m a l l e rt h a n3 n m ，s ot h em a i nt u n n e l i n gi sd i r e c tt u n n e l i n g a b o u t c a r r i e r st h e r m a le m i s s i o nm a i n l yi n d u c e db yh o tc a r r i e re f f e c t s e c o n d l y ，s t a r t i n gw i t ht h eq u a n t u mm e c h a n i c a lt h e o r y ，t h et u n n e l i n gg a t ec u r r e n t m o d e lo fu n i a x i a ls t r a i n e ds i l i c o ni sb u i l t t h er e l a t i o n s h i p so ft h et u n n e l i n gc u r r e n tt o d e v i c e s s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，b i a s e dv o l t a g e sa n ds t r e s sa r ea n a l y z e d a f t e ru n d e r g o i n g s i m u l a t i o nq u a n t i t a t i v e l yu s i n gm a t l a b ，i ti sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l tg r e a t l y a g r e e sw i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t ，i n d i c a t e dt h ec o r r e c to fo u rm o d e l a n d t h e no u rr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l to fb i a x i a ls t r e s s e ds i l i c o nn m o s f e t s ，w h i c h s h o w st h ec u r r e n to fu n i a x i a l s t r a i n e ds in m o s f e t si sl o w e rt h a nt h a to fb i a x i a l s t r e s s e ds i l i c o nn m o s f e t s ，a n ds ou n i a x i a ld e v i c e sh a v ea d v a n t a g e so v e rb i a x i a l d e v i c e s f i n a l l y ，f r o mt h eh o tc a r r i e re f f e c ta n dl u c k yh o tc a r r i e rm o d e l i n g , t h e h o tc a r r i e r g a t ec u r r e n tm o d e lo fu n i a x i a ls t r a i n e ds i l i c o ni sb u i l t t h er e l a t i o n s h i p so f t h et u n n e l i n g c u r r e n tt od e v i c e s s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，b i a s e dv o l t a g e sa n ds t r e s sa r ea n a l y z e d a f t e r u n d e r g o i n gs i m u l a t i o nq u a n t i t a t i v e l yu s i n gm a t l a b ，i ti sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t g r e a t l ya g r e e sw i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t ，i n d i c a t e dt h ec o r r e c to fo u r m o d e l a n dt h e n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h ec u r r e n to f u n i a x i a ls t r a i n e ds in m o s f e t si s l o w e rt h a nt h a to fb o d ys i l i c o nm o sd e v i c e ，h a v i n gag o o ds t a b i l i t yi nh o tc a r r i e r i n t d d b ( t i m i n g d e p e n d e n td i e l e c t r i cb r e a k d o w n ) ，t h eu n i a x i a l s t r a i n e ds i l i c o nm o s d e v i c e sl i f e t i m ei sl o n g e r t h e s er e s u l t sa b o v es h o wt h et m i a x i a ls t r a i n e dd e v i c e sh a v e a d v a n t a g e s 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 k e yw o r d s ：u n i a x i a ls t r a i n e ds i m o sd e v i c e g a t el e a k a g ec u r r e n t d i r e c t t u n n e l i n g h o tc a r r i e re f f e c t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着器件特征尺寸的减小、电路集成度的增大和功能复杂性的增强，材料、 器件和工艺等各个方面都出现了一系列的问题。特别是当i c 芯片特征尺寸进入纳 米尺度，使得单个m o s 管尺寸达到物理和工艺极限后，就难以再按照摩尔定律的 速度发展下去，而必须采用新的技术来提高m o s 晶体管的性能。应变技术的出现 为解决上述问题提供了一个可行的方向，被认为是一项实际应用中非常有吸引力 的技术1 5 1 。 现阶段已有大量针对应变硅器件的研究，这些研究主要包括应力对载流子迁 移率的增强效应，对阈值电压的影响，对漏电流和衬底电流的作用睁1 1j 。同时也有 对应变硅器件的可靠性的研究成果【1 2 1 4 】，但是对应变硅器件的栅电流的研究相对 比较少。 而随着集成电路特征尺寸的逐步缩小，器件的工作电压也相应地变小。为了 保证栅极对沟道的控制，栅氧化层厚度必须同步按比例缩小，这就使得栅极漏电 流增加，对器件性能造成了严重影响。例如电路静态功耗增加、电路逻辑状态失 稳、栅氧化层可靠性降低等一系列问题随之而来。 当氧化层中的电场强度达到临界击穿电压时，氧化层就会发生击穿。在比较 早研究的s i 0 2 栅介质中，临界的击穿电压需要使电场满足6 x 1 0 沁m 以上。在电 场强度较大的电场作用下，发生的碰撞电离会产生大量能量很高的热电子。这种 产生的热电子会越过s i 0 2 介质的禁带( 9 e v ) 到达导带中。如果进入导带的电子比 较多会破坏s i 0 2 的绝缘特性，而发生绝缘介质层的本征击穿。并且在传统的栅介 质层中，发生这样的本征击穿会产生栅极漏电流。但是在现在得到广泛使用的超 薄栅氧化层中，并不会发生本征击穿。这是因为在发生本征击穿之前，会有一部 分电子由于隧穿效应的影响而越过栅氧化层的势垒，进而形成了栅隧穿电流。并 且由于在氧化层中会存在一定的缺陷，电荷越过栅氧化层形成栅隧穿电流的几率 就会变大。因此，组成栅极漏电流的因素会变得很复杂，其数值也会增大到影响 晶体管的正常工作。如图1 1 所示的是国际半导体技术蓝图( i t r s ) 所发布的预测 栅极漏电流的发展趋势的一个曲线图。 2 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 1 e + 0 4 c1 e + 0 3 嚣 迫 矗 一 1 e + 0 2 1 e + 0 1 i 、， 、 、， ， 、， ， k ； 、 己、 j、 j，、 ，、i 、 l，、 、 1 l |，l 、 、 、j ， 一 li ，、 ；乍j 篙，l l i g hkne e d lme l 曼o t 1 i 圮vo n dt h i s、c ， ， ，l一，一 lc r o s s o v e rd on t i 2 0 0 52 0 0 72 0 0 92 0 1l2 0 1 32 0 1 52 0 1 72 0 1 9 c a l e n d e ry e a r 图1 1i t r s 预测的栅极漏电流曲线图 由目前集成电路的发展规律来看，栅极漏电流会随着集成电路的制造工艺的 向前发展而逐渐增大，并且会呈现大约5 倍的增长变化，由此所引起的静态功耗 在总功耗中所占的比例会变得越来越大，如图1 2 所示。在制造工艺为0 1 u m 时， 静态功耗就会在总功耗中占到4 0 的比例，如果在超深亚微米的特征尺寸下，静 态功耗在总功耗中占的比例就会变得更大。因此伴随着i c 集成度的不断提高，在 集成电路的设计和制造的过程中所要考虑的首要问题将会是如何降低静态功耗。 岔 专 ： 萎 星 y e a r 图1 2 静态功耗占总功耗比 第一章绪论 漏电流是导致静态功耗产生的主要原因。在理想的情况下，c m o s 电路的静 态功耗是零。但实际上c m o s 电路的静态功耗不为零，这是因为处于截止态的 m o s 晶体管存在亚阈值电流，从而造成了电路在稳态情况下有直流电流从源到地 通过。c m o s 电路的静态功耗与电路中总的泄漏电流和工作电压密切相关。 除功耗外，栅泄漏电流对电路的工作状态的影响也至关重要。图1 3 表示出栅 极与衬底之间栅极泄漏对电路工作状态造成的影响l l5 1 。 图1 3 栅泄漏效应对电路状态的影响 穿越氧化层的隧穿电流对m o s 器件的导通特性也会带来影响，甚至使器件特 性不正常。因为穿越栅氧化层的隧穿电流将增加到正常沟道电流中，实际器件的 导通电流可表示为i d = i 。h + i g 。其中i c h 是沟道的正常导通电流，i g 是穿越栅氧化层的 泄漏电流，即栅电流。若栅氧化层很薄，i 窑对i d 的影响很大，将造成器件i v 特性 异常。 很明显，动态存储阶段时数据的保持时间将会受到栅泄漏电流的影响。从而， 将需在原有的器件结构基础上，将高电阻态的强电容与电路中用于保持状态的触 发器相连接。由于m o s 器件的栅介质不再是理想绝缘的，器件中的数据被保持的 时间变小，从而使得器件工作频率的最小值有所增加。 在现代集成电路的设计和制造中，m o s 器件具有非常重要的地位，故c m o s 技术成为集成电路的主流技术。因而与m o s 器件退化有关的可靠性问题就备受关 注。由于现代半导体集成电路都是有m o s 器件组成的，所以大家也会最关心m o s 器件的制造。 就目前来说，m o s 器件已经采用超深亚微米的半导体制造技术，等比例缩小 原则已经无法得到保证。例如随着沟道长度的缩小，栅介质层厚度无法按照等比 例缩小原则来实现，这样就会使沟道电场或者使栅氧化层的电场也无法等比例增 加。同时非均匀的热载流子退化区域使得在退化区域比较恶劣的漏端的半导体栅 介质层中比较喜欢发生栅介质层的击穿，并且这样的漏端区域还会随着沟道长度 4 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 的减小而不断变大。因此，要研究半导体集成电路的整体退化就首先要研究小尺 寸的m o s 器件的退化问题。 半导体器件按照等比例缩小的原则发展的同时，工作电压并没有等比例地降 低。这使得m o s 器件的沟道电场和栅氧化层电场会得到显著的增加，从而会导致 传统意义上可以忽略不计的短沟道效应和薄栅氧化层效应会变得越来越重要。当 m o s 器件采用超深亚微米的半导体制造技术时，栅氧化层的厚度会变得很薄，本 可以忽略不计的各种效应对超深亚微米m o s 器件来说就不可忽略不计。影响m o s 器件可靠性的问题主要有经时击穿、热载流子注入、偏压温度不稳定性、硼穿通 箜 1 6 - 2 0 1 丁 。 栅电流的产生过程将引起器件参数的漂移和栅氧化层的击穿。小尺寸m o s 器 件失效主要表现为器件参数的漂移和栅氧化层的击穿。m o s 器件失效形式可以分 类成毁坏性以及非毁坏性这两种。属于毁坏性的失效机制有：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开路，导致器件和电路的突然失效；而 热载流子效应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 可甜2 1 1 。下面分别描述栅电流对这两种失效模式的影响。 对于薄栅介质的m o s 晶体管，穿越栅氧化层的隧穿电流将影响器件的阈值电 压，并造成阈值电压的起伏【2 2 】。栅电流在多晶硅栅上的压降，也使器件的跨导下 降。因此，栅电流的起伏也会引起器件跨导的起伏。栅电流实际上为上拉或下拉 漏电流提供了静态路径，从而引起电路中某些地方电压的下降，从而栅电流造成 器件特性退化。 薄栅氧化层的击穿分为两个阶段：第一阶段称为击穿的形成阶段：电子在高 场作用下加速，使氧化层中积累大量的电荷，当电荷量积累到一定程度之后，使 二氧化硅中电场增加到某值。第二个阶段是突变的失控阶段：介质层在这一阶段 中受到热或电的正反馈机制的作用，从而迅速发生不可以逆转的电学击穿。 在栅氧化层很薄的现代m o s 器件中，主要会产生的是直接隧穿电流。其最大 的特点是随着栅氧化层的厚度的变化，它的电场强度( e o x ) 会呈现出指数级的变 化。因此本文可以只考虑氧化层中的电子的隧穿效应，并且这种隧穿效应对于超 薄氧化层的t d d b 特性也会有很重要的作用。 1 2 国内外研究现状 近年来，为了延续摩尔定律，除了使用高k 介质以外，沟道中引入应力，硅 锗源漏，掺杂衬底工艺，以及在不同晶面上制造器件，对于高速低功耗c m o s 应 用都起着重要的作用。应变硅技术可以提高载流子的迁移率。此外，研究栅隧穿 第一章绪论 电流对应变器件的功耗、可靠性以及传输特性有同样的重要意义。常用的应变有 单轴应变和双轴应变，关于双轴应变硅n m o s f e t s 栅隧穿电流的研究已有不少报 道。ti r i s a w a 和tn u m a t a l 2 3 1 为研究双轴应变硅m o s f e t 栅隧穿电流对栅介质可 靠性的影响，通过实验测量了不同应力条件下，氧化层电场变化时的栅隧穿电流。 x g a r r o s l 2 4 】为了提取二氧化硅与双轴应变硅界面处导带不连续值，基于反型电子 的f o w l e r - n o r d h e i m 隧穿机制，建立了高电场下的金属栅双轴应变硅m o s f e t 隧 穿电流模型，研究了栅源电压对栅隧穿电流的影响。a n m z a i n u d 瞄j 利用阻碍 格林函数法自洽地求解薛定谔方程和泊松方程，建立了双轴应变硅金属栅 m o s f e t 的栅直接隧穿电流模型，研究了栅源电压对栅隧穿电流的影响。但是， 栅隧穿电流不仅是栅源电压以及氧化层电场的函数，还受到别的因素的影响，比 如：漏源电压、氧化层厚度、沟道应力强度和沟道掺杂。单轴应变相对于双轴应 变更适用于c m o s 集成电路制造，并且成本较低，故单轴应变器件具有一定优势。 但尚未有关于单轴应变硅m o s 器件栅隧穿电流模型的报道，而该模型的建立对优 化器件参数设计，以及最大程度的降低单轴应变硅m o s 器件栅隧穿电流具有重要 意义。 对应变器件，除了研究栅隧穿外，对器件可靠性方面的影响也值得研究1 2 睨刀。 这成为研究应变c m o s 器件中可靠性问题的动力。现在m o s 器件的栅介质厚度 减薄至几纳米，沟道中的载流子纵向输运加剧，不仅影响系统的功耗，同时影响 器件的可靠性问题。关于应变硅器件的热载流子效应已有不少报道。m f l u 【2 引通 过实验方法，证实和体硅器件相比，双轴应变硅n m o s f e t 的热载流子效应有所 退化，由衬底电流与栅压的关系曲线以及栅电流与栅压的关系曲线可以直观的看 出。p i ns u 2 9 】的研究表明，在热载流子效应方面，单轴应变硅器件与体硅器件相比 有更大的碰撞电离率，通过衬底电流和漏源电流的比值与栅电压的关系曲线可以 看出。但是很少有研究关注单轴应变硅器件热载流子栅电流模型，而该模型的建 立对于器件可靠性的直观表征有着重要的作用。大多数的研究都是通过测量衬底 电流间接评价器件的热载流子可靠性，但是对于具有浮空衬底的常规m o s f e t 器 件却不能方便地测量衬底电流，而测量栅电流却是方便可行的。而热载流子栅电流 模型的建立，对优化应变硅器件参数设计，以及最大程度的降低单轴应变硅m o s 器件热载流子栅电流，进而降低整体栅泄漏电流，并提高应变硅器件可靠性具有 重要意义。 1 3 研究内容及论文结构 由于直接隧穿和热载流子注入是超深亚微米m o s f e t 栅泄漏电流的主要产生 机制，本论文主要研究了单轴应变硅m o s f e t 的直接隧穿栅电流和热载流子栅电 6 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 流，这对深入了解m o s f e t 和集成电路的工作性能和可靠性有着重要的意义。 本论文通过对单轴应变硅m o s f e t 的机理进行分析，分别建立了适用于单轴 应变硅m o s f e t 的隧穿栅电流和热载流子栅电流模型。并从器件结构和工艺参数 入手，对这两种栅电流模型进行了仿真分析。 基于上述工作，本论文各章内容具体安排如下t 第一章：绪论。首先介绍应变硅技术的应用、应变硅技术发展状况，然后论 述了应变硅m o s f e t 热载流子效应目前的国内外研究状况及应变硅m o s f e t 热载 流子效应研究的重要性，最后概述了本论文主要工作的意义。 第二章：栅电流机制分析。首先介绍栅泄漏电流产生机理，然后分别分析隧 穿栅电流和热载流子栅电流的产生机制。 第三章：单轴应变硅n m o s 隧穿栅电流模型建立。首先分析应变硅器件隧穿 栅电流的研究情况。接着详细描述隧穿栅电流建模过程，最后对该模型仿真分析， 同时将仿真结果与他人实验结果比较，验证模型的正确性。 第四章：单轴应变硅n m o s 热载流子栅电流模型建立。首先分析应变硅器件 热载流子栅电流的研究情况。接着详细描述热载流子栅电流建模过程，最后对该 模型仿真分析。 第五章：结论。总结了本论文所做的工作和所取得的结论以及本文的不足之 处。 第二章栅电流机制分析7 第二章栅电流机制分析 栅电流产生机制在栅电流模型建立的过程中起着重要的作用。本章分析栅泄 漏电流的形成机制，明确了栅电流建模的关键，为第三、四章重点研究隧穿栅电 流和热载流子栅电流模型建立过程奠定了理论基础。 2 1 栅电流 在理想的m o s 结构中，可以假定栅氧化层的电场为零，即从栅极到衬底没有 载流子的运动。然而当氧化层很薄，同时电场或温度足够高时，实际的氧化层中 将出现导电载流子，从而产生栅泄漏电流。载流子的垂直输运，即载流子在m o s 场效应晶体管的栅极与衬底之间或m o s 存储器沟道与浮栅之间垂直于界面的输运 现象，大体上可以有以下三种体现方式。 ( 1 ) f n ( f o w l e r - n o r d h e i mt u n n e l i n g ) 隧穿：f - n 隧穿是一个场致隧穿的物 理过程。当在多晶硅- - 氧化硅硅结构上加大电压时，如图2 1 所示，二氧化硅中 的势垒就会变得非常陡峭。如果电压足够高，势垒的宽度变得如此得小以至于电 子能够穿越势垒从硅的导带进入氧化物的导带。 图2 1 电子f n 隧穿能带图 ( 2 ) 直接隧穿( d i r e c tt u n n e l i n g ) ：一般情况下认为，对于较厚的氧化层和较 高的栅压，电荷通过氧化层有f n ( f o w l e r - n o r d h e i m ) 隧穿和热电子注入这两种 方式，而在氧化层厚度小于3 n m 时，直接隧穿就成为栅极隧穿电流的主要机制， 8 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 对m o s 器件按比例缩小的性能会产生严重影响。此时电子所面对的是一个依赖于 外加电压的梯形势垒。 ( 3 ) 热电子注入( h o t - e l e c t r o ni n j e c t i o n ) ：热电子注入过程可以从物理上很 容易定性地被理解。电子在从源端到漏端运动时，横向电场不断地对其加速，又 不断地在晶格中遭受散射而损失能量。当横向的场强比较小，加速和散射将会使 电子的能量保持不变，也即是达到了动态的平衡。但是，当电场强度超过1 0 0 “i t i 后，这种平衡就会由于加速过大而破坏，电子就会不断地在lo o k v c m 的横向电场 中“加热【lj 。其中能量满足要求的电子就会越过硅导带和氧化层形成的势垒。 能够越过这个势垒的“热 电子，必须满足以下三个条件：( 1 ) 势垒高度要 小于电子的动能；( 2 ) 电子的运动方向中要有垂直于界面方向的分量；( 3 ) 氧化 层中的电场要能有效地收集电子。在m o s 场效应晶体管中，热电子通过氧化层注 入到栅中形成栅电流1 2 ，要给出一个i 。的数学公式会比较困难，因此只能定性地 研究解释。例如比较著名的解释有“幸运 电子模型 2 1 ，如图2 2 所示。模型是基 于以下三方面的假设：( 1 ) 电子能够“幸运”地得到足够的能量一边克服势垒的 作用，并且其波矢由于声子散射的作用而朝向势垒；( 2 ) 电子在波矢方向改变后 和在到达界面之前可以“幸运”地不会经过碰撞；( 3 ) 镜像作用使势垒高度降低， 电子可以“幸运 的在氧化层里不会碰到能够导致它的能量损失的碰撞，可以越 过势垒到达浮栅。 s u b s t r a t eo x i d eg a t e 图2 2 热电子注入的“幸运”电子示意图 总而言之，图2 - 3 比较全面的显示出m o s 结构中载流子的垂直输运情况。产 生栅泄漏电流的主要机制为载流子的隧穿和载流子的热发射。另外的几种，如空 间电荷限制电流，欧姆电流以及离子导电等只在某些特定的情况下才会成为栅漏 电流的主要因素3 , 4 1 。隧穿主要为陷阱辅助隧穿，f n 隧穿以及直接隧穿。载流子的 第二章栅电流机制分析9 热发射主要为肖特基发射，f r e n k e l p o o l e 发射。 图2 3 栅极的漏电流产生 2 2 隧穿栅电流产生机理 e c 甓 在实际产生栅泄漏电流的原因中，都会存在着很多漏电机理，并且还不太容 易得到到底是哪种机理起到主要的作用。这就要分析各种漏电机理的独特原理并 根据实际存在的缺陷的电荷的密度同时依据特定的测量条件分析讨论。本节分析 隧穿电流的产生机理。 随着半导体器件的制造尺寸的不断减小，m o s 器件的栅氧化层的厚度也会变 得越来越薄，因此对超薄的栅氧化层的可靠性的研究也变得非常重要。尤其是在 栅氧化层的厚度进入深亚微米甚至是超深亚微米级别的时候，特别是到达纳米数 量级后，为了能够使器件正常的工作，器件的工作电压也必须减小。在栅电压比 较小的情况下，栅的氧化层里就会存在比较明显的隧穿栅泄漏电流【5 罐j ，同时这种 电流不再明显的符合f n 隧穿电流的规律，将这种电流叫做直接隧穿栅电流。就算 在正常的工作电压驱动下，超薄栅介质中也可以观察到直接隧穿栅泄漏电流的存 在。 从器件物理方面来讲，直接隧穿是一种能量较低的载流子的量子力学隧穿过 程。与f - n 隧穿效应和热电子的注入效应相比，在直接隧穿过程中，电荷的运动 过程是从非平衡转变成为了近平衡，需要越过的势垒也变成了梯形的势垒，并且 导致隧穿发生的很多机理也都产生了改变。就算是在中等偏压的情况下，热载流 子注入产生的隧穿电流或f n 的隧穿电流也会比直接隧穿电流的数值在数量级上 有所降低。电荷通过界面势垒发生直接隧穿有以下几种过程：陷阱辅助空穴隧穿 ( h n 盯) ；陷阱辅助电子隧穿( e t a t ) ；价带电子隧穿( v b e ) ；价带空穴发生直 接隧穿( d t h ) ：导带电子发生直接隧穿( d t e ) 。在本文后面的章节中，以n m o s f e t 1 0 单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 为例，故主要讨论导带电子的直接隧穿 新一代的m o s f e t 的栅长一般都在几十纳米的数量级。为了使得栅能有效的 控制沟道中载流子的浓度，衬底掺杂浓度在逐渐增加，同时栅氧化层的厚度在相 当程度上有一定的减小。这两种物理参数的变化趋势，极大的增加了氧化层半导 体界面处的电场强度，从而引起界面处半导体能带的强烈弯曲，产生势阱的结构。 当势阱的宽度足够窄时，会将大量的载流子限制在一定区域内，继而产生能量的 量子化，构成所谓的二维电子气。这些载流子中的一些，甚至有足够高的能量隧 穿氧化层，出现在栅一侧，构成栅隧穿电流。隧穿栅电流模型建立的关键是获得 载流子电荷密度，隧穿几率。 为获得电荷密度，可以对载流子所在势阱做一假设。在纳米级m o s 器件中， 反型载流子只能位于s i 衬底表面的特别窄的势阱里，故载流子在与界面垂直的方 向上运动受到约束，使得反型层中的载流子不能象自由载流子那样在空间中向着 任意的方向自由运动，因此反型电子状态可以通过二维电子气进行描述 9 1 ，如图 2 4 所示。当半导体表面电场很强时，从图中可以看出导带在半导体表面将呈现出 近似直线的弯曲趋势，故可以假设电子所处的势阱为三角形势阱。 直接隧 x = - t o x x = 0 x = l 图2 4m o s 晶体管中反型层沟道中的量子化能级和直接隧穿势结构 隧穿是符合能量守恒定律和动量守恒定律的一个粒子输运的过程。在隧穿的 过程中，粒子的能量每时每刻都应是一个可知的数值。物理上可以等效采用稳态 法和哈密顿法，其中稳态法是与时间无关的，哈密顿法是与时间有关的。然而如 果势垒的形状比较复杂并且不适合采用哈密顿算法的情况下，如果采用稳态法会 导致计算隧穿的几率的过程非常复杂，甚至不能完成。但是，如果势能在空间的 变化比较平缓，使用w k b 近似法可使问题大大简化【i o 】。w k b 近似法是一种解微 分方程的数学方法。它的命名是因为w e n t z e l ，k r a m e r s 和b r i l l o u i n 首先用它来处 理量子力学问题。 第二章栅电流机制分析 2 3 热载流子栅电流产生机理 在栅极泄漏电流中，除了上节描述的隧穿电流外，由热载流子引起的电流也 是栅泄漏电流的重要组成部分。在热载流子可靠性电子学中，一直较注重栅电流， 且已将其视为m o s 器件损伤程度的一个重要的表征i l l 】。故本节研究由热载流子引 起的栅电流。 2 3 1 热载流子效应 现代v l s i 中存在的主要可靠性问题之一是热载流子效应引起的退化。具有较 高能量的电子和空穴注入栅氧化层引起由热载流子效应诱生的m o s f e t 退化，注 入的过程中会造成氧化层的损伤。这是因为在该过程中在界面处和栅介质中，会 产生界面态和氧化层陷阱电荷。随着损伤程度的逐渐增加，器件的电流电压特性 会发生改变。当器件参数变化超过一定限度后，器件就会失效【1 2 1 4 】。 警 对于m o s 器件来说，随着其特征尺寸的不断减小，沟道里的横向电场会不断 的增大，载流子会在由源端向漏端的运动过程中得到加速，进而在漏端会获得足 够的能量进而越过硅和二氧化硅组成的势垒到达栅的氧化层中。另外还有一些载 流子与硅会发生碰撞电离，会产生电子空穴对，就产生了雪崩击穿，使沟道电流 增大。一些到达栅氧化层内的电子会使硅和二氧化硅的界面或者是栅氧化层得到 损伤，使器件发生性能的退化，这样的一个过程被称作为热载流子效应。因为电 子注入的时候所需要的能量会比空穴需要的低，因此一般所指的热载流子都是热 电子【15 1 。 在高的电场作用下，得到高的能量的一部分热载流子就会越过硅和二氧化硅 的界面的势垒，到达栅氧化层并且形成陷阱电荷或界面态陷阱的概率就会明显地 增加。尤其是对于沟道内的场强会大于1 0 4 v c m 时，热载流子效应就会明显增加， m o s 器件就会发生严重的性能退化。因此热载流子效应是限制v l s i 集成度的提 高的最主要因素之一。 m o s 器件的热载流子效应一般会分为沟道的热载流子效应和衬底的热载流子 效应这两种情况，下面就分别讨论下这两种不同的热载流子效应： ( 1 ) 沟道的热载流子效应 沟道的热载流子是由于在高电场的作用下沟道中的电荷会发生倍增效应而产 生的。当源漏两端所加的电压比较高的时候，在漏端附近就会产生水平方向的高 电场。在这个高电场的作用下，其中的一些载流子就会在水平方向的运动中得到 足够多的能量而越过硅和二氧化硅的界面的势垒。并且由于弹性散射的存在这些 载流子会被幸运地散射到与界面垂直的方向上运动，并且能量也不会受到损失； 1 2单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 在高的电场的作用下，漏端附近会发生碰撞电离，它会产生能量比较高的热载流 子并能够幸运地向界面方向运动，形成了“幸运”的热载流子n 6 1 。这些热载流子在 向氧化层运动的过程中，会在界面处产生界面态陷阱。同时会有一些热载流子由 于氧化层里存在电荷陷阱而被俘获，从而造成器件性能的退化。以n m o s f e t 为 例来说明沟道热载流子效应，如图2 5 所示。 图2 5n m o s f e t 中的沟道的热载流子示意图 ( 2 ) 衬底的热载流子效应 衬底的热载流子是由于衬底中的漏电流和它产生的倍增电流而发生的，如图 2 6 所示。 图2 6n m o s f e t 中衬底的热载流子示意图 在n m o s f e t 器件中，由于电场的作用，这些热载流子会向硅和二氧化硅的 界面方向漂移，并且会在其高场强的表面耗尽区内获得比较高的能量。得到足够 第二章栅电流机制分析 高的能量以到达硅和二氧化硅的界面并且越过界面势垒的这些载流子就会注入到 硅和二氧化硅中，产生氧化层的陷阱电荷或者是界面态陷阱，使器件性能发生了 退化【1 7 1 。衬底的热载流子是会产生氧化层的损伤，这种损伤会沿着沟道而均匀分 布。在半导体的器件尺寸到达纳米级时，很多衬底的热载流子会在到达界面前就 在高强度的沟道电场的作用下到达源区和漏区，从而使得衬底的热载流子效应变 小。所以现阶段的研究重点主要是沟道的热载流子效应。 沟道方向的电场使载流子加速，得到高的能量，并且在强栅压的作用下会越 过硅和二氧化硅界面的势垒到达硅和二氧化硅层中。这种情况一般都会发生在漏 端附近，这是因为漏端的沟道电场是最强的。当所加的栅极电压比较高时，衬底 中的空间电荷区产生的纵向电场就会比较高，这样里面的电子就可能会被纵向电 场“拉入”到栅的氧化层中，产生的空穴就会被扫入源极或者进入衬底，这样就 形成了衬底电流( 称为 s u b ) 。当沟道处于夹断状态时，漏端的较窄耗尽区内的压 降会很大，产生的横向电场就能够使来自于沟道的一些高能量的载流子会在漏端 与这里的晶格产生碰撞，产生电子、空穴对。一部分电子被漏极收集，具有能克 服硅和二氧化硅界面的势垒能量的电子就会被注入到栅氧化层中，并被栅电极吸 收，形成热载流子栅电流i 咖。同时，产生的空穴被扫入衬底，形成衬底电流i s u b 。 衬底中的热载流子是要求能够控制并且是要均匀注入的。因此仍然可以把它 作为研究衬底中热载流子的退化机理的一种重要手段。在不同的衬底偏压下来研 究沟道中的热载流子效应是具有广泛的意义的。 由于在不同的偏压下，m o s 晶体管的工作状态是完全不同的。并且偏压也会 对沟道和氧化层中的场强分布会有很明显的影响，所引起的沟道热载流子的注入 和产生机制就会有所不同。就拿n m o s 器件来说，由于栅压的不同，可以将沟道 中的热载流子效应分成三个偏置电压应力区： ( 1 ) 高栅压区：此时v 拶d s ，沟道横向电场会比较小，热载流子数量还比较 少，因此能够形成界面态的个数也会比较少。并且由于在氧化层中存在纵向电场， 这样就会使热电子在纵向上会很容易到达栅氧化层中，因此这种能够在栅氧化层 中被电荷陷阱所俘获的热电子是导致器件退化的最重要因素【l 引。由于热载流子注 入现象主要存在于漏极的高电场区，电荷陷阱就会在氧化层里的水平方向上呈现 不均匀分布的状态，并且还会随着时间的不断变化，其退化区会向源端的方向进 行扩散。 ( 2 ) 中栅压区：此时v 擎= v d 以，m o s f e t 处于饱和状态。此时的沟道横向电 场会达到最大，因此碰撞电离的几率也是最大。这样就会形成很多的热载流子， 使界面态的数量达到最大，因此界面态就会超过热电子而成为导致器件特性退化 的最主要因素【1 9 】。随着表面势的不断变化，界面态也会进行充电或者放电，由于 所加的偏置条件的不同，界面态陷阱电荷对m o s 器件特性的影响也会不同。并且 1 4单轴应变硅m o s 器件栅电流研究 由于通过热载流子效应形成的界面态所引起的器件损伤会主要存在于漏端的高场 强区域。因此随着氧化层厚度的不断减小，在m o s 器件中存在的局部损伤会不断 的加剧。 ( 3 ) 低栅压区：此时v 矿( v o d 4 - v d d 2 ) ，所加栅压会逐渐接近于阈值电压， m o s f e t 会处于强反型状态。此时所产生的热载流子会比较少，因此只能形成很 少的界面态。但是由于存在纵向电场，空穴会很容易的注入，因此在漏端的空间 电荷区发生的雪崩热空穴的俘获与注入会成为器件退化的最主要因素【2 0 】。d o y l e 通过研究发现，长时间的空穴注入只能够使器件产生比较小的退化，紧接着在短 时间内的电子注入就会使器件产生比较明显的退化。但是只有同样时间的电子注 入没有前面长时间的空穴注入的条件下，就不会有这样明显的退化1 2 。 对于存在于相同场强的情况下，由于电子迁移率比空穴迁移率高，电子加速 得到的动能会比空穴大。因此热电子会是n m o s 器件中最主要的热载流子效应。 故本文主要研究n m o s 器件中的热电子所引起的栅电流。 2 3 2 热载流子栅电流产生机制 首先介绍热载流子栅电流的发生过程：在栅极所控制的电场和源漏两端的输 运电场同时的作用下，m o s 器件中会不断地产生热载流子，其中一些载流子是可 能向栅极方向运动。有足够大能量的一些粒子会向着一定的方向定向运动构成定 向粒子流，被称作发射电流。这些做定向运动的粒子，其中一些会被栅氧化层中 的镜像势散射回到半导体中：还有一些会留在栅氧化层；其余的一些才能够到达 栅极形成栅电流。 由于形成发射电流的这些粒子都具有越过硅二氧化硅的界面势垒的能量，因 此，在向栅运动过程中，就会和界面或者栅氧化层发生作用，在界面处可能会产 生界面态，而在栅氧化层处可能会产生陷阱电荷。界面态和陷阱电荷是研究热载 流子的可靠性的电子学里的最为重要的两种损伤机制。 由上面的描述可知，为了获得由热载流子效应引起的栅电流模型，需要获得 热载流子的产生如何用数学模型表示，同时需要知道发射电流的形成过程。 热载流子栅电流的产生过程主要由“幸运 电子模型来表征。该模型是在最 大横向电场下的近似模型【2 2 1 ，该模型是假定载流子在对应的负氧化场区里的纵向 运动几率是恒定的，并没有考虑到该区内纵向电场的作用，因此这种模型的适用 范围是比较有限的。k h a s n a t 经过研究提出适用于有效场的“赝幸运”电子模型1 2 引， 该模型中的热载流子的能量是要通过数值来模拟器件的特性，又要在每一个电流 的路径上通过解相关的能量方程来得到所需要的数值。并且热载流子的注入过程 是一个随机性过程，因此能够对其作出准确的理论描述是有一定难度的，但是“幸 第二章栅电流机制分析 运 电子模型就是考虑到沟道里热载流子的注入过程是随机性的而建立的一个物 理模型。沟道中的电子如果要想成为一个能够到达栅极的“幸运电子 就必须经 过一下几个物理过程：( 1 ) 沟道中的电子首先要能够从横向电场的加速下获得足 够高的能量，从而能够越过硅一二氧化硅的界面的势垒。( 2 ) 在能量不变、方向改 变的散射过程中，可以获得足够的朝向硅二氧化硅界面的动量。( 3 ) 电子在到达 硅二氧化硅的界面前不能够发生非弹性的碰撞。( 4 ) 界面中的热电子必须能够克 服氧化层里势垒散射的影响，才能够穿过氧化层的厚度进而到达栅极。 2 4 本章小结 本章首先对m o s f e t 中导致栅泄