MOSFET開態(tài)熱載流子效應可靠性

1、mosfet開態(tài)熱載流子效應可靠性穆甫臣 薛靜 許銘真 譚長華(北京大學微電子所,北京100871 )摘要:綜述了近年來mosfet的熱載流子效應和可靠性問題,總結了幾種熱載流子,并在此基礎上詳細討論了熱載流子注入( hci )引起的退化機制。對器件壽命預測模型進行了總結和討論。為mosfet熱載流子效應可靠性研究奠定了基礎。關鍵詞:可靠性;熱載流子效應;金屬氧化物半導體場效應晶體管;壽命預測模型中圖分類號: tn386. 1文獻標識碼:a文章編號:1005 - 3077 (2000) - 04 - 51 - 09hci reliabilityin mosfets under on2state

2、mu pu2chen xu e jing xu ming2zhen tan chang2hua(instituteof microelectronics, peking university, beijing 100871 )abstract : the issuesof hot2carrier effects in mosfets are reviewed.hot2carriers are summarized.on this basis, the mechanisms of hot2carrier induced (hci ) degradation under on2state stre

3、ss modesare discussed. lifetimepredictionmodels are summarized and discussed.key words : reliability;hot2carrier effects ; mosfet; lifetimeprediction model引 言隨著 vl si 集成度的日益提高,mos 器件尺寸不斷縮小至亞微米乃至深亞微米,熱載流子效應已成為影響器件可靠性的重要因素之一。從第一次意識到熱載流子可導致器件退化以來 ,有關 mosfet 熱載流子效應的研究已持續(xù)了近30 年 。在早期熱載流子物理研究工作之后,就物理機制問題出現

4、了許多爭論,直至今天這個被人們普遍接受的物理圖象。熱載流子退化主要歸因于電子俘獲、 空穴俘獲和界面態(tài)產生。退化過程非常復雜并且依賴于應力條件 、 器件結構 、 柵氧化層質量等因素8 。熱 載 流 子 效 應 的 研 究 目 前 主 要 集 中 在 兩 個 方 面 : hci引 起 退 化 的 物 理 機制121 ,2831,退 化和壽命預測模型1 ,4 ,17 ,2227,大部分研究集中在n - mosfet上1 16。隨著器件尺寸的不斷縮小,近幾年來,越來越多的研究已集中在p - mosfet上8 ,13 ,17 21。?15?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月收稿日期:20

5、00 - 08 - 09本文首先概述了mosfet 熱載流子可靠性的研究進展。第二部分總結了幾種熱載流子并詳細討論了熱載流子退化機制。第三部分重點研究了退化和壽命預測模型。1hci導致的mosfet退化機制1. 1 mosfet 中的熱載流子在使用條件下,mosfet 會遇到四種類型的熱載流子:溝道熱載流子(chc) ,襯底熱載流子 ( shc) ,漏端雪崩熱載流子(dahc ) ,和二次產生熱電子( sghe) 。chc 注入是由于溝道中 “幸運” 電子注入柵而形成,它將導致氧化層和si- sio2界面嚴重退化 ,特別是在低溫下(77 k) 更是如此 。這種退化機制下柵電流是可測量到的。sh

6、c 注入已被用來研究柵絕緣介質的質量,在這種情況下,熱電子是熱產生或輻射而產生的,或者由正偏 p - n 結注入到襯底高場區(qū)而形成的。另一方面,dahc 注入是由碰撞電離導致的電子和空穴柵電流,它將引起器件在室溫下最嚴重的退化。這是由于熱空穴和熱電子同時參與此過程 。sghe 注入是由二次碰撞電離產生的少子或bremsstrahlung 輻射所致,對小尺寸 mos 器件它將引起可靠性問題。1. 2 n - mosfet 退化機制籠統(tǒng)地講,在直流hci 應力條件下n - mosfet 的主要退化機制為:界面陷阱產生和柵氧化層中電子俘獲7 ,8 。為研究直流應力下的確切退化機制,應力條件分為下面三

7、種類型 :(1) 很低柵壓下 (vgvd/ 2) ;(2) dahc 對應的中等柵壓(vgvd/ 2) 應力 ,一般認為是最大應力條件;(3) 與 chc 對應的較高柵壓(vgvd) 應力 。下面將詳細討論與上邊三種應力條件相對應的n - 溝器件的退化機制。在低柵壓 (vgvd/ 2) 應力下,損傷是由碰撞電離產生的熱空穴導致的4 。對l= 2m ,tox=40 nm ,n - 溝器件來講,最大限度電子陷阱產生的應力條件大約為vg=vd/ 5 ,盡管這些陷阱的填充需要大的柵電子電流(vg=vd) (如圖 . 1 所示)。發(fā)現 ,在應力過程中當漏端附近存在一個大的跨越電場(漏到柵 )時 (即當v

8、tvgvd/ 2 時) ,通常產生的界面態(tài)和俘獲的載流子密度都很大8 。當vgvt時 ,熱空穴注入將導致空穴俘獲,進而使vt和gm變化28 。這種應力條件下還會產生大量界面陷阱,但此時界面陷阱的影響被空穴俘獲導致的溝道縮短效應掩蓋了。與 最 大 襯 底 電 流 對 應 的 中 等 柵 壓 (vgvd/ 2) 是 n -mosfet的 最 大 應 力 條件1 ,68 ,16 ,28 。在這種應力條件下,空穴俘獲基本消失,由于界面陷阱的產生致使vt為正28 。vg=vt時熱空穴導致的界面陷阱產生在vgvd/ 2 條件下 ,已被熱電子導致的界面陷阱產生替代了,熱電子導致界面陷阱產生的效率要低于熱空穴

9、。當應力條件由vgvt向最大襯底電流區(qū)域過渡時,正電荷逐漸消失,并且閾值電壓漂移改變符號(如圖 . 2 所示) ,圖 . 2 所用器件 :leff= 1. 5m ,w= 20m ,tox= 24nm ;應力條件 :vd= 6. 5 v ,tstress= 1800 秒 。由于電荷泵測量觀測不到明顯的電子俘獲,可見 ,正的 vt是由產生的界面陷?25?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月阱所致 。注意 ,當一些正電荷被俘獲時,盡管有大量界面陷阱產生,閾值電壓漂移也可以為零 。這說明 ,只依賴于電流特性可能導致關于退化機制的錯誤結論。因此 ,在最大襯底電流應力條件下(vgvd/ 2)

10、,氧化層損傷是與熱電子和熱空穴導致的界面陷阱相關的,觀測不到顯著的電荷俘獲7 ,8 。從柵 - 漏電容來推斷,界面態(tài)位于禁帶上半部分,是受主型的,不管是 n - 或 p - 溝器件都是如此8 。另一方面,俘獲的電荷種類與器件是n - 溝還是 p - 溝有關 ,從而與漏結附近的跨越電場方向相關。圖1曲線a :器件在經歷500秒vd= 7 v應力后,電子注入前跨導退化隨柵壓變化曲線曲線b:曲線a在電子注入后( vg=vd=7v )跨導退化隨柵壓變化圖2 vt/vt ,max,vcp/vcp ,max和icp/icp ,max隨柵壓的變化。最大變化為:vt ,max= 15 mv;vcp,max=1

11、. 24 v ,icp ,max/ icp ,virgin= 250 %襯底電流的最大值imsub表明了在漏端由碰撞電離產生的電子- 空穴對數目22 。當漏端存在一個由漏到柵的跨越電場時,熱空穴將從溝道夾斷區(qū)注入到柵極。根據能量高低熱空穴可以分成三種類型8 :(1) 具有足夠高能量穿過氧化層從而形成柵電流的熱空穴; (2)較低能量被氧化層俘獲從而形成固定正電荷的空穴; (3) 與界面碰撞但不能跨越勢壘從而被反射回 si 襯底的空穴 。但所有這三種熱空穴都能導致三價si懸掛鍵 ,從而產生界面態(tài)。這是由于空穴具有較大的有效質量,雖然沒有足夠的能量注入氧化層,但它們依然有足夠能量以產生界面態(tài)。這說明

12、 ,熱空穴產生界面態(tài)比熱電子更有效8 。所以這種應力可導致最大界面態(tài)產生16 。在較高柵壓應力下(vgvd,溝道熱電子che 應力條件) ,大量電子注入柵氧化層7 ,28 。在大量電子注入區(qū)域(vgvd) ,隨vg增大 ,閾值電壓漂移迅速減小,但依然保持正值28 。界面態(tài)產生也減少(如圖 . 2 所示 ) 。在這種應力條件下,退化可能由界面態(tài)產生和電子俘獲一起導致。1. 3 p - mosfet 退化機制在很小的柵壓應力下( vt vg vd/ 2 ) ,電子俘獲是主要的退化機制。雖然 界 面 態(tài) 產 生 依 然 存 在 , 但 它 的 作 用 被 電 子 俘 獲 導 致 的 溝 道 縮 短

13、效 應 所 掩蓋17 ,18 ,20 ,28 。而對中等柵壓應力(vgvd/ 2) ,界面態(tài)產生的影響掩蓋了電子俘獲的影響 ,從而導致跨導(gm) 退化20 ,如圖 .3 所示 。9 nm 柵氧化層厚度,0. 45m 有效溝道長度的傳統(tǒng)p - mos 器件在vg - 0. 7 v 不同?35?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月圖30. 25m , tox= 7. 5 nm p - mosfet在vg= - 1. 1 v下測量的跨導退化曲線。應力條件: vg= - 1. 1 v(實心標記)和vgvd/ 2 (空心標記)漏電壓應力實驗,結果表明 ,在這種應力條件下老化,器件特性最明

14、顯的變化是跨導和驅動電流 ,這是由局部損傷導致的溝道縮短效應引起的18 。但在不同柵長器件上的實驗表明(見圖 .4) ,當溝道長度縮短,閾值電壓漂移成了一個重要退化因素,說明被俘獲電荷確實起到了一個非局域化的作用。這種條件下,氧化層中俘獲的負電荷分布在大部分柵長范圍,從而使閾值電壓向0v 方向減小,而不是增大跨導(在長溝器件中如此)?？傊?,無論對n - 溝還是 p - 溝器件 ,隨著溝道長度縮短,損傷區(qū)會占據足夠比例的溝道長度,致使不能再認為被俘獲電荷是局域化的。到那時 ,熱載流子退化包括驅動電流增大(gm(max)也一樣 )以及vt漂移 ,p - mos 可靠性問題更加嚴重了。因此 ,當柵

15、長足夠短時,p - mos 不僅有驅動電流變化 ,而且還會有由于vt漂向 0v 而引起更為嚴重的關態(tài)泄漏電流問題。在高跨越電場(由柵極到漏極 ) 應力下 (vgvd/ 2) ,除了氧化層中電子俘獲,還有界面態(tài)產生 。這是 n - 和 p - 溝器件的最大應力8 。減小跨越電場,界面態(tài)產生和電子俘獲都減少 。在高柵壓應力條件下(vgvd) ,正的 vt 可能由于界面陷阱的產生28 。在 p -溝器件中,vgvd條件下沒有實驗觀測到空穴注入?？梢哉fvgvd的應力條件是所有應力條件中最小的應力(無論對 n- 溝還是對 p - 溝器件都是如此)28 。2退化模型和壽命預測2. 1 物理退化模型hci

16、引起的 mosfet 退化主要是由于界面態(tài)產生或氧化層中電荷俘獲。因此 ,建立界面態(tài)產生和電荷俘獲的模型對理解熱載流子退化機制和特性至關重要。(1) 界面態(tài)產生模型在 si- sio2界面存在一個轉變區(qū)32 ,在這個 si和 o 無固定化學配比的轉變區(qū),一些雜質和缺陷導致了大量的電子和空穴陷阱及界面態(tài)。z. cezhou等人提出了一個熱電子打破si- h或si- oh鍵的物理模型33 。界面態(tài)產生過程由(1) 和 (2) 式所示 。具有3. 55 ev能?45?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月量的熱載流子可打破si - h 或 si - oh 鍵 ,從而產生三價硅原子si3或

17、 sio3(即界面態(tài) )和間隙氫原子。如果氫原子擴散si3-h +hot e =si3s+h(1)sis-o h + hot e =( siso)3+h(2)出界面 ,一個新的界面態(tài)就產生了。擴散過程與tn相關 。因此 ,界面態(tài) (nit) 的產生率可用(3) 式來表示 ,nittn(3)這里n受化學反應和氫擴散的限制,一般在 0. 51 范圍內 。(2) 電荷俘獲模型正電荷中心qot和負電荷中心qox的形成依賴于中性陷阱的俘獲截面或俘獲熱載流子的幾率33 。俘獲主要和熱載流子在sio2中的擴散有關。因此 ,qot和qox與時間有下面的關系 :qottn,qoxtn(4)2. 2 壽命預測(1

18、) n - mosfet 的壽命預測模型20 多年來 ,人們廣泛研究了hci 退化的物理機制和模型,提出了一些經驗半經驗的壽命預測模型 。大多數模型都是基于最大應力條件的。下面將簡要介紹幾種壽命預測模型或方法 。我們知道,對 n - mosfet ,hci 引起的器件退化(gm,vt,id) 與碰撞電離導致的isub有密切關系。鑒于此 ,22 中提出了一個簡單模型,得出gm,vt與應力時間的經驗公式 :v1(orgm/gm0)=a tn(5)當應力時間很短時,此式是成立的,但當應力時間很長時,退化出現飽和現象。在 log - log圖中 ,斜率 n 與柵壓vg有很強的依賴關系。這說明不同n 值

19、對應不同的hci 退化機制。退化量a與 vd有關 。aexp ( -/ vd)(6)襯底峰值電流imsub和退化量a 與 vd有相同的依賴關系34imsubexp ( -/ vd) a/(7)結合(5),(6),(7)式可得在特定判據下m os器件的壽命 為,exp( b/ vd)(8)式中,b =/ n。用 imsub表征為,( imsub)- 1(9)= - 1/n( / )式中在很大的器件尺寸范圍內為3.23.4。綜上可知,用(8)和(9)式可方便地預測mos器件的壽命 。由于很容易測得,這就保證了此方法的實用性。這個簡單模型適用于最大應力條件,在其它應力條件下,由于失效機制不同,要適當

20、做些調整。?55?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月(2)p-mos fe t的壽命預測模型p-m os器件的失效機制相對比較簡單,但由于共退化不遵從指數律(不像n-mos器件那樣),所以給壽命預測帶來了許多困難。由于 vt漂移不如gm變化明顯,所以大部分壽命預測模型或方法都是基于gm變化的 。圖4相同vd/ vg比值,不同vd下gm隨應力時間的變化如圖.4 所示,gm變化與應力時間不是簡單的指數關系17,隨著應力時間的增大斜率減小,并且應力不同斜率也不同,這就給器件的壽命預測(用 gm)帶來了很大的困難。b. doyle等17發(fā)現 gm變化與注入電荷qinj有關,就gm與lo

21、g (ig?qinj)作圖得到了一個相對較簡單的關系,dgm=a ( qinjig)n(10)ig為在時刻t時的柵電流,qinj為到時刻t 所有注入電荷量,一般情況下, n=0.25。將器件的壽命分成兩段:第一段是ig隨時間相對不變的時間,稱為 1;第二段是ig隨時間變化直到 gm達到 10%的時間段,稱為 2。那么,器件總的壽命就等于1 2。此方法的精確程度與1和2直接相關 。 1的確定依賴于ig的分段情況,具有很大的不確定性,2的確定方法也會引入誤差,這樣就會器件壽命的確定帶來很大誤差。1992 年b. doyle等人將 gm變化就應力時間歸一化得到了一種壽命預測方法35。另外, chan

22、和gaw在36 , wang等在37中也分別得出了兩種用gm變化預測器件壽命的方法 。但所有這些方法都有一定的局限性。對溝道長度小于0.25m的p-m os器件,可能存在新的失效機制,進而會出現一些新的壽命預測模型。例如, tsuchiya等指出38,在這種情況下,在飽和區(qū)可能由于漏端熱空穴注入氧化層產生界面態(tài)而導致失效,因此可能用襯底電流而不是柵電流來預測直流工作狀態(tài)下器件的壽命39。3結 論本文對n- 溝和p- 溝m os fe t在開態(tài)熱載流子應力下退化進行了綜述。無論對n?65?第25卷4期 半 導 體 雜 志 2000年12月- 還是對p-mosfe t ,在不同應力條件下退化主要是

23、由于電子俘獲,空穴俘獲,和界面態(tài)產生 。退化過程非常復雜,不僅依賴于應力條件,還與器件結構,柵氧化層質量等因素有關。本文還對壽命預測模型進行了總結和討論。雖然熱載流子效應已研究了近30 年,但至今仍然是一個非常活躍的研究領域,還有許多問題有待解決。參考文獻1 k - l chen, s.a.saller ,i.a.groves, and d.b.scott. reliabilityeff ectson mos tran2sistors due to hot - carrierinjection.i eee ed - 32 (2) ,pp. 386 - 393 , 1985 2t.tsuchiy

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