超深亚微米pmosfet的nbti效应的研究论文.pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 超深亚微米pmosfet的nbti效应研究 姓名 于传玲 申请学位级别 硕士 专业 微电子学与固体电子学 指导教师 刘红侠 20070101 摘要 摘要 超深亚微米p m o s f e t 中的n b t i 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 效 应已经成为对c m o s 器件和电路可靠性的严重威胁 随着器件尺寸的减小和栅氧 厚度的减薄n b t i 效应所引发的退化越来越严重 本文主要针对超深亚微米 p m o s f e t 中的n b t i 效应进行了研究 首先 通过实验分析了n b t i 退化行为及其使器件参数漂移的影响 其中阈 值电压v t l l 呈现出最大的相对漂移量 这些漂移是由于n b t i 退化过程中在 s i s i 0 2 晃面处界面陷阱电荷q i 和正氧化层固定电荷q f 的产生所引起的 应力温 度的升高 负栅压偏置应力的增大以及栅氧厚度的减薄都会使器件的参数漂移增 强 这使得n b t i 退化可能成为c m o s 器件发展的严重障碍 其次 在n b t i 退化现象研究的基础上 给出了n b t i 退化的可能机理 从 几何上讨论了三维空间对界面陷阱q i 的影响 同时给出了工艺方法和条件对 n b t i 效应影响的抑制方法 再次 论文对p m o s f e t 中的n b t i h c i 退化及n b t i 退化进行了对比 发 现p m o s f e t 在高温及v v d 的应力下具有最大的退化 研究了h c i n b t i 所引 发的退化 给出了n b t i h c i 退化机制的解释 最后 论文研究了在a c 应力下的器件退化情况 d c 应力下的n b t i 会导致 较短的器件寿命预测 而a c 应力下的n b t i 更能真实的反应器件的退化情况 研究了在正负栅压交替作用下p m o s f e t 器件中的退化 钝化 退化的动态作用过 程 并给出了解释 关键词 超深压微米p m o s f e t负偏压温度不稳定性 界面陷阱 正氧化层固定电荷 退化 a b s t r a c t a b s t r a c t n b t i 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 h a sb e c o m eg r e a t l yt h r e a t st o r e l i a b i l i t yo fu l t r a d e e ps u b m i c r o nm o sd e v i c ea n dc i r c u i t w i t ht h eg a t eo x i d eg r o w i n g t h i n n e ra n dc h a n n e ll e n g t hg r o w i n gl e s s e n t h ei n f l u e n c eo fn b t ie f f e c t sw i l lb e c o m e m o r e a n d m o r es e r i o u s l y t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h en b t id e g r a d a t i o n p h e n o m e n aa n dm e c h a n i s m i nu l t r a d e e ps u b m i c r o np m o s f e t f i r s to fa l l i ti se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dd e g r a d m i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn b t i a n di t si n f l u e n c eo np a r a m e t e r ss h i f to fp m o s f e t v t hh a st h em a x i m u mr e l a t i v es h i f t i n a l lt h ep a r a m e t e r s t h e s es h i f t sa r em a i n l yd u et ot h ei n t e r f a c et r a pc h a r g ea n df i x e d o x i d ec h a r g ep r o d u c t i o n h i g h e rt e m p e r a t u r ea n dg a t ev o l t a g ee n h a n c e dt h ev t hs h i f to f p m o s f e t w h i c hm a k et h ei n f l u e n c eo fn b t ie f f e c t sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s e r i o u s s e c o n d l y o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ep h e n o m e n ai n d u c e db yn b t id e g r a d m i o n p o s s i b l em e c h a n i s mo ft h en b t id e g r a d a t i o ni sp r e s e n t e d a n dt h ei n f l u e n c eo f t h r e e d i m e n s i o no nt h ei n t e r f a c et r a pq i ti sd i s c u s s e di nt h ev i e wo fg e o m e t r y t h i r d l y b yc o m p a r i s o no ft h en b t i h c ic o u p l i n ge f f e c t si n d u c e dd e g r a d a t i o no f p m o s f e ta n di n d e p e n d e n tn b t id e g r a d a t i o n t h e m a x i m u md e g r a d a t i o no f p m o s f e ti sf o u n di nv g v ds t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r e t h e n n b t i h c ic o u p l i n g e f f e c t si n d u c e dd e g r a d a t i o ni ss t u d i e d a n dar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o no ft h em e c h a n i s m o f n b t i h c id e g r a d a t i o ni sp r e s e n t e d f i n a l l y t h ed e v i c ed e g r a d a t i o ni na cs t r e s si ss t u d i e d n b t ie f f e c t si na cs t r e s s w i l lr e s u l ti ns h o r t e rp r e d i c t i o no fd e v i c el i f e t i m e b u tt h ed e g r a d a t i o ni na c s t r e s sc a n r e v e a la c t u a ld e v i c ed e g r a d a t i o n t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si nn b t id e g r a d a t i o ni s r e v e a l e du n d e rt h ea c t i o no fn e g a t i v ea n dp o s i t i v eg a t ev o l t a g e a n da ne x p l a n a t i o no f t h i sp h e n o m e n ai sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s 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 np m o s f e t s 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 i n t e r f a c et r a pc h a r g e s f i x e do x i d ep o s i t i v ec h a r g e s d e g r a d a t i o n 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 垒垂企 一j 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 本人签名 三睑 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着科学技术的发展 人类正经历信息技术的革命 在这场影响人类未来的 信怠科学技术革命中 作为核心技术的微电子技术特别是v l s i 制造技术蠢超深 亚微米方向的高速发展正发挥越来越重要的作用 已经带动着超大规模集成电路 进入一个新的发展阶段 集成电路大规模生产工艺已达到了9 0 n m 的水平 目前 6 5 r i m 工艺正在趋向实用化 预计到2 0 1 4 年 特征尺寸必3 5 n m 的电路将投入批 量生产 器件尺寸不断减小 器件密度不断增加 工作频率不断提高 可靠性问 题也藏随之丽来 可靠性闯题已经成为v l s i 发展和应用孛的重要考虑嚣素 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 多功能化方商迅猛的发展 人们对v l s i 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 1 1 1n b t i 效应研究的重要性 随着徽电子器件几何尺寸的缩小 集成电路特性对微细缺陷更加敏感 各种 工艺技术越来越接近其基本可靠性极限 可靠性问题越来越突出 m o s 器件的沟 道长度不断减小 为了抑制短沟道效应 减小亚闽斜率 同时也为了增大驱动电 流提高电路工作速度 m o s 晶体管的栅氧化层厚度必须和沟道长度一起按比例缩 小 但是器件工作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 这对小尺寸器件可靠性带来一系列影响 v l s i 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目前的研究领域主要集中在以下几个主 要方面 1 器体管 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 dl 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v l s i 超大规模集成电路中晶体管 t r a n s i s t o r 可靠性主要包括负偏置温度不稳定 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s c a l i n g d o w n 后出 现的可靠性问题等 过去针对h c 效应的研究较多 丽对n b t i 效瘕的研究较 少 n b t i 效应没有得到足够的关注 随着器件尺寸和栅氧厚度的不断缩小n b t i 效应所弓 发的退化越来越严重 图1 1 为有入预测在器俘橱氧厚度t o x 3 5 n m 后 n b t i 效应将超过其他各种因素的影响 成为器件寿命的主要影响机制i ij 在 兰超深驱微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 低电场强度下薄橱氧中的n b t i 效应要比h c 效应更严重 n b t i 效应将成为器件 寿命的最终限制因素 二 i 露l l 糍氧霉凌瓦 与影璃c m o s 器释寿命的主要邋纯撬翻的关系 图1 2n b t i 效应示意图 1 0 0 一2 5 0 n b t i 效应是指发生在施加高温和一v g 偏置应力下的p m o s f e t 中的一种效 应 它导致了漏电流ii 咖 和跨导g m 的减少 关恣电流i o 仃和闽值电压v t h 的增 加 典型的偏置条件先温度在1 0 0 2 5 0 0 的范墨内 源 漏极和衬底均接缝 攘 氧电场强度e o 6 m v c m 产品的老化过程以及一些正常工作的高性能i c 中都会 遇到这样的温度和电场 图1 2 为n b t i 效应蕊示意委 豳1 3 是c m o s 集成电 路中栅氧电场e 似的发展趋势1 2 1 图1 3 表明目前电路中的e o x 大到足以产生n b t i 第一章绪论 效应 负褫压应力或者是高温应力都可馘产生n b 弧效应 僵在这两个瘦力的共 同作用下n b t i 效应会更快更强烈 它主要发生在 v 建偏置下麴p m o s f e t 中 两 在 v 拦偏置下的n m o s f e t 中这个效应的影响可以忽略 n b t i 效应对 p m o s f 狂t 的退化佟用主要体现在驱动电流和跨导的下降 亚阕斜率的不断增 大 阈值电压v t i l 的漂移 其中对v t i l 的影响最为严重 并且随着鹿力电压和温度 的增高两不断增翔 n b t i 效应对器件霹靠性的影魂魄热载流子效应更为严重 研究表明在器件特征尺寸小于0 1 8 1 a m 后n b t i 效应将最终限制器件的寿命 3 1 图1 3c m o s 器件中氧化层嘏场e 雠随时间韵发展趋势 n b t i 效应在m o s 器件的发展早期就已经被发现 最早在1 9 6 7 年就被观察 n t 4 1 d e a l 称它秀6 号不稳定性1 5 l 贝尔实验室酶g o e t z b e r g e r 研究小组第一个给 出了n b t i 退化的详细描述 6 j 早期的使用s i 0 2 作为栅介质的m o s 器件就表现 獭了n b 髓效癍 谨是在过去较大静器件尺寸和工艺条件下 n b t i 效应的影晌并 不明显 以至没有褥到足够的重视 随着器件尺寸的不断缩小和工艺技术的改 进 n b t i 效应的影响显著增强 近年的国际可靠性物理年会i r p s 上 可靠性研 究专家对n b t i 效应对m o s 器件的影响提出了严重警告 n b t i 效应可以弓l 起嗍 盥的c m o s 电路的退化和失效 特别在o 1 8 9 m 工艺技术代以后这个问题变得盟 为骥显 为了撺毒 硼穿逶效应 在撵氧中雩 入了氮 氮纯撅氧成为标准c m o s2 1 2 艺 但是氮化的s i 0 2 大大增强了n b t i 效应 丽且n b t i 引起的界丽陷阱密度d i t 随着氧化层厚度的减小丽增翔 这个t o x 豹界面陷辨产生关系表明n b t i 效应在 超薄棚氧中变褥更加严重 在未来蕊高蹩分质中也报邀了n b t i 效应的影响1 7 j 一4 超深驻微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 1 1 2 超深皿微米p m o s f e t 中n b t i 效应的研究意义 与研究相对较为成熟的h c 效应不同 有关n b t i 效应的研究才刚刚开始 在p 栅p m o s f e t 中由予n b t i 效应弓 发的退化成为越来越重要的可靠性闯题 n b t i 应力发生在高温和负栅压偏置状态下的数字和模拟电路中 它引发了器件 横向分布的损伤 主要是在s i 0 2 s i 界面处的界面态q i l 和正氧化层陷阱电荷q f n b t i 效应发生的原因尚不完全清楚 普遍认必氢或硼在其中发挥7 重要的作 用 但是哪一种机制究竟是界面态或者正陷阱电荷起主要作用不得而知 有报道 表明当栅氧厚度缩d n3 5 n m 以后n b t i 效应将会变得越来越重要嘲 尤其是对 于使用氮化栅氧的工艺来说 n b t i 退化非常明显 在现在这种栅氧厚度和器件 工艺尺寸情况下 n b t i 效应使得芯片设计者不能取得预期的性能 与h c i 不同的是 n b t i 不单单和短沟器件有关 它直接和在垂直尺寸上的 器件工艺缩小有关 而与h c i 情况相同的是 具体每一个器件的退化量都是不相 同的 它是器待在电路中独特开关行为的蘧数 特别是在高温下的应用情况 它 取决于器件囟身的热耗散情况和它所使用的环境 在高温应力的作用下n b t i 效 应更加明显 与h c 效应需要在漏端的高电场不同 甚至在漏端为零时n b t i 效 应依然十分明显 这意味着电路甚至在等待状态下依然可能遭受到n b t i 的影 响 n b t i 效应可以严重影响p m o s f e t 的速度和参数变化 这对于模拟电路设 计师来说是非常严重的闯题 尽管电路设计者考虑了标准工艺的交纯 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 随着栅氧尺 寸的不断交簿接近英物理极限 n b t i 效应对数字电路也产生重要影响 随着晶 体管尺寸的不断缩小 研究者对于n b t i 效应对电路性能的影响投入了很多的关 注 从这些研究者中得到了许多不同的结论 因此还需要进一步深入的进行研 究 由于n b t i 效应研究有着重要的意义及迫切性 在本研究中预计所采用的方 法主要是 首先进行大量的文献检索 确定躁薷研究的重点与难点以及拟进行研 究的方向 进行一系列的实验来确定引发退化的真正机制 超深距微米i c 时代 已经到来 我国集成电路已经采用0 2 5 p r o o 1 8 9 m 和o 1 3 p m 及更小尺寸的设 计 但是可靠性研究和仿真与设计均未认真考虑 工艺和可靠性损伤没得到加固 和解决 需要做大量的研究工作 以适应飞速发展的高可靠集成电路的需求 1 2 目前国内外相关研究现状与进展 随着n b t i 对超深监微米器件可靠性的影响越来越严重 有关n b t i 的研究 第一章绪论 逐渐成为新的研究热点 豳前的研究主要集中在以下几个方面 1 n b t i 退化现 象的研究2 n b t i 退化机理的研究3 动态n b t i 效应的研究4 不同工艺条件 主要是氮化 对n b t i 的影响 并且在这几个领域都取得了相当程度的进展 n b t i 效应在m o s 器件的发展早期就已经被发现 最翠在1 9 6 7 年就被鼹察 到 d e a l 称它为6 号不稳定性 贝尔实验室的g o e t z b e r g e r 研究小组第一个给出了 n b t i 退化的详细描述 但是在过去的器件尺寸和工艺技术条件下 n b t i 所带来 的影响没有得到足够的重视 所以在相嬲长的时间里关于n b t i 效应的研究没有 得到发展 在1 9 9 9 年前后0 1 8 9 m 工艺技术逐渐成为主流以后 有关n b t i 效应 的研究飞速发展起来 日本n e c 公司u l s i 器件研发实验室的n k i m i z u k a 报道 了采用超薄栅氧p m o s f e t 器件中由n b t i 引发的器件退化 3 他们发现c m o s 器件中由n b t i 弓 发的p m o s f e t 的v 攮漂移丽不是n m o s f e t 中的h c 成为器件 寿命限制的主要因素 台湾u m c 的y e c h e n 对0 1 8 1 a m 栅长的p 十栅p m o s f e t 中的n b t i 进行了研究 依据实验测量结构得到关于n b t i 中阈值电压退化的计 算公式 v t h e o x 2 9 6 t 0 37 e x p 0 3 4 k b t 叭 德国i n f i n e o n 公司的r o l a n dt h e w e s 研究了包括n b t i c h c 以及栅氧可靠性影响下的模拟电路应用中的器件可靠性 l o l h 公司麴 i a yr e d d y 则全面懿描述了n b t i 对数字毫路可靠性带来的影响 针对n b t i 的机理研究也取得相当的成果 c e b l a t 认为n b t i 反应过程可以 被模型化为s i h s i s i 0 2 界面处的中性与水有关的物质 硅表面熟空穴之间的反 应最终形成了三价硅悬挂键和正电性的物质 i2 1 s h i g e oo g a w a 研究了在n b t i 应 力作用下的界面陷阱的d i 的产生 动态n b t i 效应也得到了广泛的关注 i b m 的 w a b a d e e r 主要研究 信号频率和占空比对退化的影响 提出了可能的物理机制 以及对电路造成的影响1 1 引 g c h e n 则研究了栅压变化后n b t i 的不同退化阶段 及在负栅压下n b t i 退化以及在菠糖压下的钝化过程l l 引 工艺条件对于n b t i 效 应有着重要的影响 研究相对主要集中在氮化栅氧中氮对n b t i 退化的影响 除 了氮对n b t i 效应的影响以外 还针对工艺中的水 氧化层损伤 退火温度以及 氟等对n b t i 的影响进行了研究 这使得工艺对n b t i 造成的影响越来越清楚 从以上可以看出 n b t i 目前已经成为超深亚微米器件可靠性研究的一个热 点 这是毽为n b t i 对器件可靠性的威胁越来越严重 目前国外已经对n b t i 效 应开展了相当程度的研究 取得了一定的成果 但是从整体上来说有关n b t i 的 认为尚不成熟秘完整 还有许多需要进一步深入研究的缝方 1 3 本论文的主要研究工作 在c m o s 电路中 p m o s f e t s 的n b t i 退化变的越来越重要 将会严重影 响器件性能 甚至导致电路失效 本文针对超深亚微米器件中的n b t i 效应 主 曼超深豫微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 要的研究包括 1 深入研究了器件参数 如阈值电压v 淞跨导g m 线性漏电流 和饱 和漏电流i a a t 等 随n b t 应力时间的退化规律 分析了n b t 应力前后对p m o s 器 宰l v 特性的变化情况 给出了不同参数随n b t 应力时闽的退化规律 分析了 n b t 应力条件 t v g 变化和器件栅氧厚度对n b t i 效应的影响 总结文献资 料得出一种可能的器件寿命模型 在论文的第二章中完成上面的工作 2 在n b t i 现象研究的基础上 首先给出了目前已经建立的界面陷阱和氧 化层电荷的产生模型 从几何上阐述对界面陷阱的影响 给出了n b t i 效应可能 的反应机理 从反应机理中可看出 n b t i 效应与工艺方法和条件有密切关系 因此分析了工艺方法与条件对n b t i 效应的影响 并给出印制方法 在论文的第 三章中完成上面的工作 3 n b t i 效应和h c 效应被认为是对m o s f e t 可靠性的严重威胁 由于 p m o s f e t 在高温下v 2 v a n b t i h c 混和效应 应力作用具有最大的退化 因此对这神n b t i h c 混和效应进行了深入研究 研究了其所引发的退化现象 给出了n b t i 增强的h c 退化机制的解释 在论文的第四章中完成上面的工作 4 在交流应力下的器件n b t i 退化更能够真实的反瘦器 孛的退化情况 焉 直流应力下的n b t i 测试会导致较短的器件寿命预测 因此对交流应力下的n b t i 退仡进行了研究 研究了在正负撩压交替作用下p m o s f e t 器 孛中的退纯一钝化 退化的动态作用过程 并且对这种动态特性给出了合理的解释 最后给出了一种 可以解释n b t i 动态恢复效应的n b t i 寿命模型 在论文的第五章中完成上面的 工作 n b t i 已经成为超深亚微米p m o s f e t 中严重的可靠性问题 只有很好的掌握 了n b t i 效应对超深亚微米电路的影响 才能为电路和工艺设计者提供参考和依 据 使持续缩小的器件和电路高效可靠的工作 第二章超深驻微米p m o s f e t 的n b t i 效成二 第二章超深亚微米p m o s f e t 的n b t i 效应 随着m o s f e t 器件尺寸向着超深弧微米u d s m 的不断发展 在半导体工艺 孛器符穰长l 越来越短 栅氧厚度k 越来越薄 新工艺的采爝诸如氮化裰氧等 的采用使碍m o s f e t 器l 牛中的可靠性阀题越来越复杂 有研究报道h5 表明矿栅 p m o s f e t 的可靠往是由许多不同鞠素影响的 诸如沟道热载流子效应 c 薹 c 溅穿通效应 b o r o np e n e t r a t i o n 超薄橼氡t d d b 效应等 由矿栅 p m o s f e t 中的n b t i 效应引起的器件阈值电压漂移 v h 渐渐成为限制器件寿命 熬重要医素 它毙在n m o s f e t 孛壹热载流子h c 限制的器俸寿翕更短 嚣蔑 n b t i 效应将逐渐成为p m o s f e e t 退化机制的主导 为了保证p m o s f e t 器件成 品率及工作的高可靠性 必须要完整清楚的掌握n b t i 效应的发生机理 正是基 于以上原因 首先霭要研究n b t i 效应对p m o s f e t 器件特性的影响 了解其随 n b t 威力时间的退化规律 分析影响n b t i 效应及控制p m o s f e t 器件寿命不同 因素 隽寻找其发生枫理以及抑翩n b t i 效应的方法奠定基麓 2 1n b t i 效应测试设备与实验方法 2 1 1n b t i 效应测试样品制备 特征尺寸为0 2 5 1 t m 的m p w 测试芯片由台积电t s m c 来加工 采用t s m c 0 2 5 p ml o g i c5 m 1 p 的标准工艺 芯片面积3 x 3 m m 2 特征尺寸为o 1 8 9 m 的m p w 测试芯片是出中芯国际s m i c 来加工 采餍s m i ce 1 8 1 u nl o g i c6 m 1 p 的标准工 艺 芯片面积3 x 3 m m 2 其典型的工艺指标见袭2 1 和表2 2 寝2 1t s m c0 2 5 9 ml o g i c5 m i p 标准工艺 c m o s 工艺 t s m co 2 55 mi pd e e p 最夺橱长 0 2 4 1 x m 最小栅宽 0 3 6 m 金属瑟次五层金震 多品醚一层多品硅 l a m b d a 0 1 2 1 t m 攮氧浮皮 5 0 a t h i n 粥左 t h i c k 苎超深甄微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 表2 2s m i co 1 8 1 t ml o g i c6 m 1 p 标准工艺 c m o s 工艺 s m i c 0 18 6 m ip d e e p 最小栅长 0 1 8 9 m 最小褫宽 o 2 4 t t m 金属层次六层金属 多晶硅一层多晶硅 l a m b d a o 0 9 1 t m 栅氧厚度t o x3 2 a t h i n 7 0 a t h i c k 测试芯片中有基本测试器件p m o s f e t n m o s f e t m o s 电容 p m o s f e t 和n m o s f e t 模块该包括不同的宽长比w l 不同的沟道长度l 以及不同的栅氧 化层k m o s 电容中包括p m o s 裰电容和n m o s 栅电容 橱电容应该要有不褥 的面积 还有作为l o g i c 数字电路的代表反相器 与非门 或非门以及环形振荡 器 还有a n a l o g 模拟电路的代表运算放大器等 np 数 模 mm 电字拟 oo 容 电 电 ss模路路 模模块模模 块块块块 图2 1t s m c0 2 5 9 m 测试芯片模块分布图 np天 参数模 mm 线数电字拟 oo 器提容电电 ss件取 模 路路 模模 模模块 模模 块块块块块块 图2 2s m i c0 1 8 1 t m 测试芯片模块分布圈 第二章超深亚微米p m o s f e t 的n b t i 效应 图2 3t s m c0 2 5 u m5 m 1 p 测试芯片版图 图2 4s m l c018 u r n6 m i p 测试芯片版图 在0 2 5 9 i n 测试芯片中设计了n m o s 模块主要包括了尺寸从0 2 5 9 m l t t m 相同栅宽w 不同栅长l 的n m o s f e t 相同栅长l 不同栅宽w 的n m o s f e t 具有不同栅氧厚度t o 的n m o s f er 不同面积的n m o s 电容 p m o s f e t 模块 主要包括了尺寸从02 5 1 1 m i g r n 相同栅宽w 不 可栅长l 的p m o s f e t 相同栅长 塑超深亚微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 l 不同栅宽w 的p m o s f e t 具有不同栅氧厚度t o 的p m o s f e t 不同面积的 p m o s 电容 d i g i t a l 模块一主要包括了反相器i n v e r t e r 或非门 与非门以及5 l 级的环形振荡器 a n a l o g 模块一主要包括了一个简单二级运算放大器电路 实际 的测试芯片版图见图2 3 在0 1 8 1 a m 测试芯片中设计了n m o s 模块一主要包括了尺寸从o 1 8 9 m 1 9 m 相同栅宽w 不同栅长l 的n m o s f e t 相同栅长l 不同栅宽w 的n m o s f e t 具有不同栅氧厚度t o 的n m o s f e t 不同面积的n m o s 电容 p m o s f e t 模块 一主要包括了尺寸从o 1 8 1 t m 1 9 m 相同栅宽w 不同栅长l 的p m o s f e t 相同栅 长l 不同栅宽w 的p m o s f e t 具有不同栅氧厚度t 0 x 的p m o s f e t 在p m o s 模块中还设计了具有不同天线比的a n t e n n ad e v i c e 不同面积的p m o s 电容 d i g i t a l 模块一主要包括了反相器i n v e r t e r 或非门 与非门以及1 0 1 级的环形振荡 器 a n a l o g 模块一主要包括了电流镜c u r r e n tm i r r o r 电路 参数提取模块一主要 包含了用于模型参数提取的各种尺寸及宽长比的晶体管 实际的测试芯片版图见 图2 4 2 1 2n b t 效应研究的测试方案与测量方法 研究超深亚微米c m o s 器件中的n b t i 效应 需要采用对器件施加n b t 应 力的方法来研究在应力前后器件参数及特性的变化 得到器件参数退化量随应力 时间的变化规律 进而寻找引发这些变化的内在机制 图2 5 是利用高精度半导 体参数分析仪h p 4 1 5 6 b 对器件参数进行测量的示意图 首先要测量器件特性及参 数在应力前后的变化 需要测量的器件特性包括 器件输出特性i d v d 线性区和 饱和区转移特性i d v g 衬底电流i u b 的变化 器件c v 特性的变化 需要测量和 分析的器件参数变化主要包括 阈值电压 v t h 跨导 g m 儋m 线性漏电流 i d i i n i d l i n 饱和漏电流 i a s a t i i s a t 图2 5m o s f e t 参数测量示意图 第二章超深亚微米p m o s f e t 的n b t i 效应 堕 仪器准备 l 确定需要测量的器 孛参数 上 确定器件的应力状态 l 选择器件 l 初始器件参数测量 l 器件参数有效 l 数据记录 l 对器件施加应力 l 应力后器件参数测量 l 数据记录 j l i 完成 l i 数据分析 图2 6n b t i 效应测试流程图 通常用器件静态参数的退化来判定器件的退化情况和器件是否失效 而参数 随应力时闻的退化规律也在一定程度上反映了器件退化的内在机理和发生过程 因此 我们采用如下的测试方案 首先明确需要测量的器件参数 确定在器件上 施加的应力偏置的大小 选择好需要测量的器件进行应力前的初始参数及特性测 量 然后对器 牛施加n b t 应力 在到达应力时间以后去掉j l h n 应力 进行疲力 坚超深亚微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 后器件参数及特性的测量 在确保测量结果有效的前提下 不断的增加应力时间 间隔 通过比较应力前后器件参数和特性的变化 可以清晰的得到n b t i 对器件 的影响 n b t i 效应的测试流程图如图2 6 所示 通常的n b t 应力中栅压选择遵循的原则为v d d v g s 综合考虑应力温度 负栅压 栅氧厚度等得出一种器件寿命模型 例 e x 皤 丝超深距微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 第三章p m o s f e t 的n b t i 褫理及抑制方法 超深亚微米p m o s f e t 中的n b t i 效应所引起的阈值电压的漂移渐渐成为限 制器件寿命的重要因素 n b h 应力下弓l 起的溺值电压漂移的缺陷主要集中在栅 的边缘和栅与源漏区交叠的区域 两短沟道器件的退化区域占整个沟道的比例摆 对增加 产生短沟道器件的二维效应 沟道越短的器件n b n 效应越明显 这对 c m o s 毫路讶靠性构成严重熬威胁 到嚣翦为止普遍研究认鸯p m o s f e t 孛的 n b t i 效应是和在s i s i 0 2 界面处施主性界面态d i 的产生和正氧化层固定电荷q f 有著密锈薛关系 n b t i 效应睫着应力温度下和负褫压 v 宣的增大丽增加 很多研 究者认为n b t i 效应是源予在p m o s f e t 反型层沟道中的热空穴h h 所弓l 起的 损伤是由于在界面处热空穴与界面缺陷作用形成正氧化层电荷q f 和界面陷阱d i t 赝导致的 c h e ne t a 1 提出了一个在硅表面热空穴 h o l e 和硅氢键 s i h 之闻 的电化学反应1 1 2 它认为n b t i 效应在源端和漏端产生的退化相同 在n b t 应力 的箨用下热空穴注入到栅氧中 被氧讫层黧阱俘获斡空穴改交了氧化层宅场 e 傩 因此增强了在氧化层中 的漂移 这个h 是在反应过程中在s i s i 0 2 界面处 产生的 界谣态d i t 的产生通常被解释为在p m o s f e t 中热空穴和界面处s i 一 键 之间豁电化学反应 断裂愿的s i h 键在界瑟处形成硅悬挂键 反应中被释放的氢 离子被认为向着栅电极扩散 限制了n b t i 反应动力学 热空穴的注入的影响被 认为是退化蕊关键因素 然磊释放冀氢物质帮缺陷之闻的穗互 乍用餐然不清楚 而在氧化层中正电荷的建立则更没有得到很好的理解 3 1n b t i 界恧陷阱与氧化层电荷 3 l l 界面陷阱d i 秘氧化层电荷q f i 产生模型 界面陷阱电荷通常称为界面陷阱 是一个在s i 0 2 s i 界面的界面三价硅原子 带有一个未饱和 来配对 的价毫予 遥鬻表示为 s i 3 兰 s i 界殛陷阱是电活 跃性缺陷 能量分布在整个的s i 带隙中 对低频噪声 迁移率 漏电流和跨导等 有影响 通常认隽露定电耨是三价硅悬挂键在氧化瑟孛麴产物 n b t i 效应孛赛 面态的产生模型主要是氢反应模型和电化学反应模型 氢反应模型认为在n b t i 效应中在裰商电场的作用下可以使s i 嘲键分解 反应式如方程 3 一1 s i 兰s i 珏 一s i 3 兰s i o 1 第三章p m o s f e t 中的n b t i 效应机理及抑制方法 在这里h o 是中性替位式氢原子或原子级的氢 但最近的计算表明正电性的氢或 质子h 是在界面处唯一稳定的电荷态 而且h 可以和和s i h 直接反应来形成界 面陷阱d i i 反应式如方程 3 2 s i 3 兰s i h 旷一s i 3 兰s i i h 2 3 2 因为是矿打断了s i h 键并且形成了界面陷阱 所以界面陷阱形成与氧化层电场 e o 有关 这个氧化层电场e x 促进了h 向s i 0 2 s i 界面的传输 电化学反应模型为 s i 兰s i h s i s i 十五 t e r f a 3 3 s i 3 s i 是由于硅氢键s i h 的断裂而形成的 主要对阈值电压的漂移发生作用 氧化层电荷通常称为固定电荷 是靠近s i 0 2 s i 界面处的电荷 主要对阈值电压 v t i l 漂移发生作用 通常认为q f 是三价硅悬挂键在氧化层中的产物 表示为 0 3 s i 与界面陷阱d i t 产生模型相似表示为 s i 3 s i h h 一s i 3 s i h 3 4 q f 产生可以被模型化为 0 3 三s i h h 一0 3 三s i 一 3 5 界面陷阱d i t 和固定电荷q f 都来自于分解的s i h 键 对于q f 来说可以发生在界 面处或接近界面的氧化层中 这些电荷的来源可能是由于注入的空穴被氧化层中 的陷阱所俘获 或者由于负慢态的充电引起的 在s i s i 0 2 界面处的界面陷阱在带 隙的上半部分是受主型的 在带隙的下半部分是施主型的 这和掺杂原子是相反 的 掺杂原子是施主能级位于能带的上半部分而受主能级位于能带的下半部分 但是 如图3 1 2 所示 在平带的条件下 低于费米能级的能态被电子占据 在带 隙中下半部分的能态是中性的 被施主态所占据 在带中和费米能级之间的能态 是负电性的 它们被受主态所占据 那些超过e f 的能级是中性的 是未占据的受 主态 对于一个反型的p m o s f e t 来说 如图3 2 1 2 j 所示 在带中和费米能级之 间的界面陷阱是未被占据的施主态 导致出现了正电性的界面陷阱 表示为 因此 在反型的p m o s f e t 中的界面陷阱是正电性的 从而导致了负的阈 值电压漂移 界面陷阱在带隙上半部分的受主和在下半部分的施主对n m o s f e t 和p m o s f e t 阈值电压v t 漂移的影响不同 图3 3 1 3 j 给出了在 a 中n 沟和 b 中的p 沟器件的情况 在平带时 n 沟是正电性p 沟是负电性的界面陷阱 电荷 因为固定电荷是正的 我们得到如下结果 n 沟 q f q i i p 沟 q f q i t 因此可以看出p m o s f e t 更容易被影响 s i n h a 和s m i t h 通过实验清楚的给出了在 1 1 1 n 型硅上的m o s 电容阈值电压减少了1 5 v 而p 型 11 1 衬底上的电容 的阈值电压仅仅减少了0 2 v 负偏置应力在带隙的低半部分产生了施主型界面 态 由以上可以看出 界面陷阱和氧化层电荷对器件有着重要的影响 这也是 n b t i 退化对器件产生退化的主要原因 垄 超深强微米p m o s f e t 中的n b t i 效应研究 a c c e p t o r s d o n o r s 甄 e c e f e i 图3 1a 在平带情况下负界面陷阱电荷 b 在反型情况下正界面陷阱电荷 yec c e 叫 誊d o n o r s f v l e c e f e l 阉3 2p 型衬底a 在平带情况下正界面陷阱毫蘅 b 在反型情况下受赛面陷阱电荷 圈3 3 n 型衬底a 在平带情况下负界面陷阱电荷b 在反型情况下正界面陷阱电荷 3 1 2 界面陷阱电荷q i 和氧化层电荷q f 对器件参数及特性的影响 p m o s f e t 的阈值电压v t l l 饱和漏电流i d 和跨导g m 的简单表达形式如下 雕一q c o 皤 魏 庐 c 甜一2 西f l 伪i 3 6 如一 黝勉 嬲 一 2 3 7 瓯 w 2 l 彻 屹一 3 8 舂山 个l专 l v c f 铲 e e e e 夺叫0基葺 o g h 一 t f v e e e e 个 jy上个 y 瞎 骼 锄 e d a 第三章p m o s f e t 中的n b t i 效应机理及抑制方法 望 其中庐f k t q l n n t n f i 幽i 4 q k sfd 多f d z g 是单位面积的氧化 层电容 其它符号代表了不同的意义 平带电压的公式为 吖9 c k 以o c o x 9 是固定氧化层电荷密度 q f 是界面陷阱密度 假设在n b t i 应力 下衬底掺杂浓度n d 和氧化层厚度t x 都没有发生变化 唯一可以导致阈值电压漂 移的参数是固定电荷密度q f 和界面陷阱电荷密度q i t o 其中界面陷阱电荷q 的占 有情况是和表面势由s 有关系的 这两种不同电荷密度其中任意一个的增加都会 导致阈值电压v t l l 漂移 导致饱和漏电流i d 和跨导g m 退化的两个参数是阈值电 压和迁移率的变化 上面讨论了阈值电压的变化 迁移率的变化主要来源于界面 陷阱 界面陷阱的产生导致了表面散射的增加 从而降低了迁移率进而导致漏电 流i d 以及跨导g m