5 V pMOS器件的热载流子注入退化机理

5VpMOS器件的热载流子注入退化机理杨翰琪;刘小红;吕康;魏家行;孙伟锋【摘要】研究了低压pMOS器件热载流子注入HCI(Hot-CarrierInjection)退化机理，分析了不同的栅压应力下漏极饱和电流(Idsat)退化出现不同退化趋势的原因.结合实测数据并以实际样品为模型进行了器件仿真，研究表明，快界面态会影响pMOS器件迁移率，导致Idsat的降低;而电子注入会降低pMOS器件阈值电压(Vth),导致Idsat的上升.当栅压为-7.5V时界面态的产生是导致退化的主要因素,在栅压为-2.4V的应力条件下，电子注入在热载流子退化中占主导作用.【期刊名称】《电子器件》【年(卷)，期】2018(041)005【总页数】4页(P1093-1096)【关键词】pMOS;热载流子注入;不同栅压应力;TCAD仿真【作者】杨翰琪;刘小红;吕康;魏家行;孙伟锋【作者单位】东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096;华润上华半导体有限公司，江苏无锡214000;华润上华半导体有限公司，江苏无锡214000;东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096;东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096【正文语种】中文【中图分类】TN386.1随着集成电路制造工艺迅速向深亚微米、超深亚微米方向不断发展，热载流子效应已经成为限制器件与电路的寿命及可靠性的主要因素之一［1-2］。目前，对MOS器件的热载流子退化研究主要是针对n型金属氧化物半导体晶体管(nMOSFET)。由于在相同电场中迁移率小的空穴获得的动能远小于迁移率大的电子,所以在相同电压偏置下,p型金属氧化物半导体晶体管(pMOSFET冲热空穴弓I起的器件损伤远小于nMOS器件中热电子引起的器件损伤，因此pMOS器件的热载流子退化的研究—直为人们所忽视［3-5］。但随着器件尺寸进入亚微米和深亚微米范围,pMOS器件的热载流子退化变得越来越严重,已成为CMOS电路退化以及失效不可忽视的因素,所以对pMOS器件的热载流子退化进行深入研究是十分必要的。在低压pMOS热载流子注入退化实验中，通常认为漏极饱和电流(Idsat)是在不断减小的［6-7］,但一些实验数据表明,Idsat会出现增大或者先增大后减小的趋势,本文针对这种现象进行了深入研究。1器件及实验本文所研究的器件为低压5VpMOS(VGop/VDop=5V/5V),沟道宽长比为W/L=10/0.5,栅氧化层厚度为130氏器件结构如图1所示。图15VpMOS器件结构在室温下，对器件施加热载流子退化应力,晶体管中沟道区域的电子由源到漏的流动产生沟道热载流子，漏源电压较高时，沟道中电子在强电场作用下被加速获得足够高的能量，到达Si-SiO2界面，载流子通过发射声子传递能量给晶格,造成Si-SiO2界面处能键的断裂，具有较高动能的热载流子越过界面势垒注入到栅氧化层中，形成大量电荷积累和界面态，引起器件阈值电压、跨导等电学参数的漂移。首先通过最大衬底电流应力(Isubmax)的方式选取栅极电压应力(Vgstress)和漏极电压应力(Vdstress),分别为-2.4V和-7.5V,实验通过改变Vgstress施加不同的偏置应力。本文共选取了4组应力条件，应力时间为105s。应力条件分别为：Vgstress=-2.4V,Vdstress=-7.5V;Vgstress=-4.5V,Vdstress=-7.5V;Vgstress=-5V,Vdstress=-7.5V;Vgstress=-7.5V,Vdstress=-7.5V。2结果及讨论在上述4组应力条件下，测得Idsat退化曲线如图2所示，阈值电压Vth(根据最大跨导法提取得到)退化曲线如图3所示。图24组应力条件的Idsat退化曲线图34组应力条件下的阈值电压(由最大跨导法提取得到)退化曲线由图2可以看出，低压pMOS器件在热载流子退化实验中，并不像通常认为的那样不断减小而是在不同栅压应力条件下出现了不同的退化趋势:当Vgstress为-7.5V时Idsat随着应力时间的增加而减小;而当Vgstress减小为-5V时，退化前期Idsat几乎不变，之后随应力时间的推移逐渐减小;当Vgstress分别为-4.5V和-2.4V时Idsat分别呈现出先增大后减小和先增大后趋于饱和的退化趋势。图3为上述4组应力条件下Vth退化曲线，退化趋势与Idsat的退化趋势相反。由此可见，在相同漏极电压,不同栅压应力条件下,pMOS器件热载流子退化中占主导作用的退化机制会有所不同。3理论分析及仿真验证影响低压pMOS器件热载流子退化主要因素有两个:热电子注入和界面态的产生;两者对于低压pMOS器件热载流子退化具有相反的作用效果,是竞争的关系。处在带隙中的快界面态从两个方面影响MOS器件的迁移率:一方面，界面态上俘获的电荷会起到散射中心的作用，通过库仑力扰乱沟道内的载流子的传输，降低反型层内可动载流子的平均漂移速度，也就降低了与平均漂移速度成正比的反型层载流子的迁移率另一方面，由于栅电压的一部分降落在不可动的界面态电荷上，要改变可动反型层电荷就需要更大的栅压摆动，使给定栅压下的跨导变差从而引起从器件跨导得到的场效应迁移率降低［8-9］。在热载流子退化过程中，快界面态对于迁移率的影响会导致Idsat的降低。而热电子注入栅氧化层并被电荷陷阱俘获，对于pMOS器件会降低器件阈值电压(Vth),同时因为注入的热电子在栅氧化层下方感应空穴，增加了有效空穴浓度，结果导致在热载流子退化过程中Idsat的上升［10-11］。在pMOS的热载流子退化过程中，根据应力条件选取的不同，会影响快界面态及电子注入情况，从而会表现出不同的退化趋势。当Vdstress=Vgstress=-7.5V时界面态的产生是导致退化的主要因素,Idsat会下降。当Vgstress减小至-5V时栅极电压增强了电子注入，退化前期界面态的产生和电子注入对于Idsat退化的影响相当，导致Idsat几乎不变，随着应力时间的推移，电子注入导致的氧化层负电位阻止了电子的进一步注入，导致界面态再次成为Idsat退化主要因素，此时Idsat呈下降趋势。当Vgstress减小至-4.5V时，电子注入继续增强。退化前期电子注入为产生退化的主要因素,Idsat增大,后期因电子注入导致的氧化层负电位降低了电子注入，导致界面态成为主要Idsat退化因素，此时Idsat呈下降趋势。当Vgstress减小至-2.4V时(Isubmax),电子注入继续增强，使得Idsat增大，但随着时间的推移，产生的氧化层负电位会降低电子注入，导致Idsat增长速度变慢。以上述实验中实际样品为模型进行电子注入和界面态器件仿真,仿真结果如图4、图5所示。图4pMOS器件Idsat退化曲线(@Vgstress=-2.4V,Vdstress=-7.5V)实测值与电子注入和界面态产生仿真对比图5pMOS器件Idsat退化曲线(Vgstress=-7.5V,Vdstress=-7.5V)实测值与电子注入和界面态产生仿真对比由图4可看出，氧化层电子注入的仿真结果和实际样品应力(Vgstress=-2.4V,Vdstress=-7.5V,tstress=10000s)后的实测结果基本吻合,说明在Vgstress=-V,Vdstress=-7.5V的应力条件下，电子注入在热载流子退化中占主导作用，与上述分析结果一致。图5显示快界面态的仿真结果和应力(Vgstress=-7.5V,Vdstress=-7.5V,tstress=10000s)后的实测结果基本吻合,说明在Vgstress=-7.5V,Vdstress=-V的应力条件下，快界面态的形成在热载流子退化中占主导作用，与上述分析结果一致。4结论本文对低压pMOS器件在不同栅压应力下的热载流子退化特性进行了实验,结合实验数据并以实际样品为模型进行了电子注入和界面态器件仿真，详细研究并论证了低压pMOS器件热载流子退化实验中漏极饱和电流退化曲线出现不同退化趋势的退化机理。研究表明，低压pMOS器件热载流子退化的两个主要影响因素:电子注入和界面态的产生,两者对于低压pMOS器件热载流子退化具有相反的作用效果，是竞争的关系。当电子注入占主导作用时，会导致器件漏极饱和电流的上升及阈值电压的下降;当界面态的产生占主导作用时,会导致器件漏极饱和电流的下降及阈值电压的上升。应力条件选取不同，会影响快界面态的产生及电子注入情况，从而会表现出不同的退化趋势。参考文献：【相关文献】LahbibI,DoukkaliA,MartinP,etal.HotCarrierInjectionEffectonThresholdVoltageofNMOSFETs[J]//Ph.d.ResearchinMicroelectronicsandElectronics.IEEE,2015:164-167.LiuC,LuJW,WuWR,etal.GateLengthDependenceofHotCarrierInjectionDegradationinShortChannelSilicononInsulatorPlanarMOSFET[J].ActaPhysicaSinica(ChineseEdition),2015,64(16):0167305.JolyY,LopezL,PortalJM,etal.MatchingDegradationofThresholdVoltageandGateVoltageofNMOSFETafterHotCarrierInjectionStress[J].MicroelectronicsReliability,2011,51(9-11):1561-1563.MaL,JiX,ChenZ,etal.PhysicalUnderstandingofHotCarrierInjectionVariabilityinDeeplyScalednMOSFETs[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,2014,53(4S):04EC15.DaiCH,ChangTC,ChuAK,etal.HotCarrierEffectonGate-InducedDrainLeakageCurrentinHigh-k/MetalGaten-ChannelMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistors[J].AppliedPhysicsLetters,2011,99(1):455.ShanW,SongY,WuJ,etal.InvestigationsofHotCarrierInjectiononNMOSFETwithHighVdsandLowVgsStress[C]//SemiconductorTechnologyInternationalConference.IEEE,2016.HaoJ,Luo乙LukT.HotCarrierDegradationImprovementonSubmicronNMOSFETinBipolar-CMOS-DMOS(BCD)Process[C]//IEEEInternationalConferenceonSolid-StateandIntegratedCircuitTechnology.2012:1-3.MolinaJ,DeLHJ,GutierrezE.ReductionintheInterface-StatesDensityofMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistorsFabricatedonHigh-IndexSi(114)SurfacesbyUsinganExternalMagneticField[J].JournalofAppliedPhysics,2014,116(6):064510-064510-9.BentrciT,DjeffalF,BenhayaAH.ContinuousAnalyt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