pMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)

1、Vol. 26 No. 5May ,2005第26卷第5期2005年5月半導(dǎo)體學(xué)報(bào)CHIN ESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSpMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)3劉紅俠郝躍(西安電子科技大學(xué)微電子研究所，西安710071)摘要:研究了在熱載流子注入HCI (hot2carrier injection )和負(fù)偏溫 NB T(negative bias temperature )兩種偏置條件下pMOS器件的可靠性.測(cè)量了 pMOS器件應(yīng)力前后的電流電壓特性和典型的器件參數(shù)漂移，并與單獨(dú)HCI和NB T應(yīng)力下的特性進(jìn)行了對(duì)比.在這兩種應(yīng)力偏置條件下，pMOS器件退

2、化特性的測(cè)量結(jié)果顯示高溫NB T應(yīng)力使得熱載流子退化效應(yīng)增強(qiáng).由于柵氧化層中的固定正電荷引起正反饋的熱載流子退化增強(qiáng)了漏端電場(chǎng)，使得器件特性嚴(yán)重退化.給出了 NBT效應(yīng)不斷增強(qiáng)的HCI耦合效應(yīng)的詳細(xì)解釋.關(guān)鍵詞：pMOS器件；熱載流子注入；負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性；界面態(tài)；氧化層固定正電荷PACC : 7340Q ; 7300 ; 7220J中圖分類號(hào)：TN386 1 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253 24177 ( 2005 ) 0521005205Vol. 26 No. 5May ,2005Vol. 26 No. 5May ,20053國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：60206006 )和博士后基金

3、(批準(zhǔn)號(hào)：Q6312573 )資助項(xiàng)目劉紅俠 女，1968年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事深亞微米器件和電路可靠性研究.郝 躍 男，1958年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事深亞微米器件、電路建模和表征技術(shù)研究2004206213 收到，2004209210 定稿v2005中國(guó)電子學(xué)會(huì)1引言MOS器件中的熱載流子注入HCI (hot2carrierinjection )禾口負(fù)偏溫 NB T ( negative bias tempera2 ture)效應(yīng)是影響可靠性的重要因素.對(duì)于目前采用的特征尺寸在 01 25xm以下工藝的MOSFET ,其HCI和NB T可靠性分析成為高性能

4、設(shè)計(jì)和高可靠 性應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié).大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)器件尺寸進(jìn) 入深亞微米尺寸后，器件的可靠性退化機(jī)制將發(fā)生 顯著的變化，各種失效模式之間的相互耦合效應(yīng)增 強(qiáng)16.MOS器件中的HCI效應(yīng)源于器件特征尺寸的 不斷縮小，溝道中橫向和縱向電場(chǎng)的增加.在深亞微米尺度下，HCI效應(yīng)主要反映在溝道熱載流子 (channel hot2carrier ,CHC)效應(yīng)7,8 . NBT 效應(yīng)是 由于在高溫下(通常大于100 C)對(duì)pMOS器件柵極 加大的負(fù)柵壓偏置所造成的，表現(xiàn)為閾值電壓漂移不斷增大，亞閾值斜率不斷減小等器件參數(shù)的變 化【914.對(duì)于HCI和NBT這兩種單獨(dú)的效應(yīng)，尤其是HCI效應(yīng)已有大量的研究

5、，但是對(duì)于 HCI和NBT耦合效應(yīng)對(duì)器件的作用則研究甚少.在高溫條件下工作時(shí)，器件中會(huì)同時(shí)存在HCI和NBT效應(yīng).因此，在HCI和NB T共同作用下pMOS器件的可靠 性問(wèn)題顯得非常重要.本文主要研究了高溫溝道熱 載流子模式下，HCI和NB T共同作用對(duì)器件退化 特性的影響.研究結(jié)果表明，由于柵氧化層中固定正 電荷引起的正反饋的熱載流子退化增強(qiáng)了漏端電 場(chǎng)，使得器件特性嚴(yán)重退化.2 HCI和NBT耦合效應(yīng)的退化現(xiàn)象 和正反饋機(jī)制實(shí)驗(yàn)采用 0125um工藝技術(shù)的 pMOSFET 樣 品.柵氧化層厚度為 7nm，溝道寬度和長(zhǎng)度分別為 10卩m和015卩m.在進(jìn)行NB T效應(yīng)測(cè)試時(shí)，只給柵 極施加電

6、壓應(yīng)力，源電極、漏電極和襯底電極接地 ； 在進(jìn)行HCI測(cè)試時(shí)，給柵極和漏極都施加電壓應(yīng) 力，應(yīng)力后測(cè)量器件的漏電流、最大跨導(dǎo)、閾值電壓和襯底電流.實(shí)驗(yàn)儀器采用高精度半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試 儀 HP4156C.應(yīng)力條件為：Vg = - 41 2V，Vd = - 7V，應(yīng)力溫 度為120 C，應(yīng)力時(shí)間分別為 500s和19500s.應(yīng)力第5期劉紅俠等：PMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)1009后pMOSFET的輸出特性如圖1所示.圖中Pre表 示新器件的特性，Postl和Post2分別表示應(yīng)力 500s和19500s后器件的退化特性.從圖中可以看 出，應(yīng)力后器件的輸出特性曲線降低，表明輸出電流

7、 減小應(yīng)力500s后，曲線的退化很小 ，而應(yīng)力19500s 后，輸出曲線發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，隨著漏電壓的增加，輸出的漏電流并沒(méi)有出現(xiàn)飽和，而是連續(xù)增加，表明器件退化已經(jīng)非常嚴(yán)重-140-120J00< -80I -60-200圖Fig. 1 Output characteristics in pMOSFET before andafter stress1 pMOSFET應(yīng)力前后的輸出特性pMOSFET應(yīng)力前后典型的飽和漏電流 Idsat 的退化如圖2所示由圖可見(jiàn)，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力后，特性 曲線向負(fù)柵壓方向漂移，器件的飽和漏電流有很大的退化，而且隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)，器件的關(guān)態(tài)電流 大大增強(qiáng)這是由于

8、器件在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力過(guò)程中，界面態(tài)和氧化層電荷的產(chǎn)生引起了關(guān)態(tài)電流的增強(qiáng)Fig. 2 Idsat degradation in pMOSFET before and after stressp MOSFET應(yīng)力前后線性區(qū)跨導(dǎo)Gml in的退化分別如圖3 所示由圖可見(jiàn)，應(yīng)力后器件的跨導(dǎo)特性 曲線向負(fù)柵壓的方向漂移，在應(yīng)力500s后，線性區(qū)跨導(dǎo)有比較小的退化.應(yīng)力19500s后，線性區(qū)跨導(dǎo)圖3 pMOSFET應(yīng)力前后線性區(qū)跨導(dǎo)的退化Fig. 3Gil in degradation in pMOSFET before and af2ter stresspMOSFET應(yīng)力前后襯底電流Isub的退化特性

9、如圖4所示由圖可見(jiàn)，隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，器件的襯底電流向負(fù)柵壓的方向漂移，500s應(yīng)力后，襯底電流略微減小，19500s應(yīng)力后，襯底電流發(fā)生嚴(yán) 重退化，襯底電流大大增強(qiáng)，最大襯底電流的退化量 達(dá)到了 331 55 %.圖4 pMOSFET應(yīng)力前后襯底電流的退化Fig. 4 Isub degradation in pMOSFET before and afterstress隨后測(cè)量這兩種效應(yīng)隨時(shí)間變化對(duì)器件參數(shù)的影響為了作對(duì)比，分別測(cè)量了 NB T應(yīng)力、HCI應(yīng) 力器件的典型電參數(shù)隨應(yīng)力時(shí)間的退化對(duì)于HCI效應(yīng)，對(duì)器件施加應(yīng)力Vg = - 41 25V，Vd =- 11 0V，應(yīng)力時(shí)間為3000

10、0s.采用采樣模式進(jìn)行測(cè)量 ， 采樣的時(shí)間間隔為 t = 1000，4000，7000，10000和 30000s測(cè)量的器件關(guān)鍵參數(shù)最大線性區(qū)跨導(dǎo) Gmmax、飽和區(qū)漏電流Idsat和線性區(qū)漏電流 |dl in隨 應(yīng)力時(shí)間的漂移，如圖5 所示從圖中可以看出，應(yīng)力后器件的最大線性區(qū)跨導(dǎo)、飽和區(qū)漏電流和線性 區(qū)漏電流的退化隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，基本服從對(duì)數(shù)時(shí)間規(guī)律.隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，器件特性 的退化不斷增強(qiáng)，跨導(dǎo)的退化最為嚴(yán)重.10叫 i=425V,%=-L0 認(rèn) K?=rSUB=ov口1000 10000''圖5 pMOSFET最大線性區(qū)跨導(dǎo)、飽和漏電流和線性漏電流 隨時(shí)間

11、的漂移(HCI應(yīng)力)Fig. 5CGmmax , Idsa t and Idl in shift in pMOSFET ver 2sus time ( HCI stress)對(duì)于NB T效應(yīng)，在高溫條件下 T= 165 C ,對(duì)器 件施加應(yīng)力 Vg = - 41 75V ,應(yīng)力時(shí)間為 35000s ,測(cè) 量器件的關(guān)鍵參數(shù)最大線性區(qū)跨導(dǎo)Gmmax、飽和區(qū)漏電流Idsat和線性區(qū)漏電流Idl in隨應(yīng)力時(shí)間的漂移,如圖6所示.從圖中可以看出，施加應(yīng)力后，器件 的最大線性區(qū)跨導(dǎo)，飽和漏電流和線性漏電流的退 化隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，其中飽和區(qū)漏電流的退化最為嚴(yán)重.測(cè)量器件的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)隨著應(yīng) 力時(shí)

12、間為負(fù)向漂移（圖中所示為測(cè)量參數(shù)的絕對(duì) 值）.與室溫情況下 HCI應(yīng)力后器件的退化特性相 比較,器件參數(shù)的退化偏離對(duì)數(shù)時(shí)間規(guī)律，基本服從119100C10000100000Ns1圖6 pMOSFET的最大線性區(qū)跨導(dǎo)、飽和漏電流、線性漏電 流隨時(shí)間的漂移（NBT應(yīng)力）Fig. 6 Gmmax , Idsat and |dlin shift in pMOSFETver2sus time （ NB T stress ）幕指數(shù)函數(shù)關(guān)系隨著應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)，退化不斷增 強(qiáng)，其中飽和區(qū)漏電流漂移量最明顯，最大線性區(qū)跨導(dǎo)的變化次之，線性漏電流的退化最小.圖7給出了最大線性區(qū)跨導(dǎo)Qmax和飽和漏電流IDSA T

13、隨應(yīng)力時(shí)間的退化.從圖中可以清楚地看到，熱載流子的退化分為兩個(gè)階段.在第一階段（小 于3000s），最大線性區(qū)跨導(dǎo)隨著應(yīng)力時(shí)間的退化遵 循對(duì)數(shù)時(shí)間函數(shù)關(guān)系，而且最大線性區(qū)跨導(dǎo)的退化 大于飽和區(qū)漏電流的退化，這和通常的熱載流子退化結(jié)果是一致的.進(jìn)入第二階段以后（大于3000s）, 飽和漏電流的退化很快超過(guò)了最大線性區(qū)跨導(dǎo)的退 化而占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這說(shuō)明了高溫條件下NBT效應(yīng)開(kāi)始起作用，兩條退化特性曲線的斜率都明顯增加，證。胡 MAX明了在高溫條件下，由于NBT效應(yīng)的作用，出現(xiàn)了 增強(qiáng)的熱載流子退化效應(yīng).由于飽和漏電流的退化 比最大線性區(qū)跨導(dǎo)的退化（對(duì)應(yīng)界面態(tài)的產(chǎn)生）快, 因此，在第二階段，正電荷的產(chǎn)生

14、對(duì)飽和漏電流的退 化起主要作用100 1000 10000Z/5圖7 pMOSFET的最大線性區(qū)跨導(dǎo)和飽和漏電流隨時(shí)間的 漂移Fig. 7Gmmax and Idsa t shift in pMOSFET versusstress time閾值電壓V th對(duì)氧化層中積累的電荷導(dǎo)致的柵 電場(chǎng)變化特別敏感，因而Vth可以作為器件特性退 化的表征參數(shù).柵氧化層在恒定柵電壓的作用下，注 入氧化層中的熱載流子在氧化層中產(chǎn)生新的陷阱,使得氧化層中的界面陷阱和正負(fù)中性陷阱密度增 大，這些陷阱可以俘獲電子和空穴產(chǎn)生陷阱電荷.陷阱電荷密度的增大會(huì)改變陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而改變閾值電壓的大小.以pMOSFET為

15、例，若在電應(yīng)力下柵氧化層中產(chǎn)生的陷阱電荷極性為正，則被柵極負(fù)電源接收到的電力線將有一部分源于氧化 層中的正電荷，從而使源于溝道陽(yáng)極的電力線減少,使陽(yáng)極電場(chǎng)減弱.這時(shí),若要在溝道中產(chǎn)生相同數(shù)量的空穴，需要較高的負(fù)柵電壓 ，因此，閾值電壓的值 增大.同理，若氧化層中產(chǎn)生負(fù)的陷阱電荷 ，則由于 其能夠吸收一部分陽(yáng)極發(fā)出的電力線，所以需要較低的負(fù)柵電壓，閾值電壓的值會(huì)減小.pMOSFET的閾值電壓隨時(shí)間的退化特性如圖 8所示.隨著時(shí)間的增加，閾值電壓的退化單調(diào)增加,第一階段結(jié)束時(shí)(t = 3000s),閾值電壓的退化量 只有60mV，在第二階段 NB T效應(yīng)開(kāi)始起作用，由 于碰撞電離在器件的漏端產(chǎn)生了

16、大量的界面態(tài)和氧 化層固定正電荷，閾值電壓的退化迅速增強(qiáng)，第二階段結(jié)束時(shí)(t = 19500s)，閾值電壓退化量達(dá)至U 270mV.3(H)250o.5100100050000圖8 pMOSFET閾值電壓隨時(shí)間的漂移Fig. 8 V th shift in pMOSFET versus stress timepMOSFET最大襯底電流隨時(shí)間的退化特性如 圖9所示.值得注意的是，襯底電流的退化在第一階 段首先減小，隨著時(shí)間的增加，當(dāng)進(jìn)入第二階段時(shí) 襯底電流迅速增大，而且襯底電流的增大在第二階 段表現(xiàn)得非常明顯，最大襯底電流的退化量達(dá)到33155 %.pMOSFET最大襯底電流隨著時(shí)間的退化 呈現(xiàn)

17、先減小、后增加的趨勢(shì),這與閾值電壓的退化特 性明顯不同.-101001000IOOOCf/s圖9 pMOSFET的最大襯底電流隨時(shí)間的漂移Fig. 9 I sub shift in pMOSFET versus stress time在應(yīng)力的初始階段,襯底電流的減小是與飽和 漏電流的減小結(jié)果一致的，這與傳統(tǒng)的熱載流子效應(yīng)的結(jié)果相同.隨著熱載流子退化效應(yīng)的增強(qiáng)，進(jìn)入到第二階段后，由于氧化層中產(chǎn)生的正電荷的影響,漏端電場(chǎng)增加的很快，使得載流子的碰撞電離大大 增強(qiáng)，隨著時(shí)間的增加，在漏端產(chǎn)生了越來(lái)越多的熱 載流子，從而導(dǎo)致襯底電流的極大增加.這些實(shí)驗(yàn)結(jié) 果充分證明了熱載流子應(yīng)力在漏端產(chǎn)生的固定氧化

18、層正電荷的正反饋效應(yīng).pMOS器件的HCI和NBT耦合效應(yīng)可做如下 的解釋.在器件特性退化的第一階段，熱載流子注入 占優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生氧化層固定正電荷和界面態(tài)，器件線性 區(qū)跨導(dǎo)的退化遵循對(duì)數(shù)時(shí)間規(guī)律，這與傳統(tǒng)的熱載流子效應(yīng)的結(jié)果是一致的.隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，進(jìn) 入到第二階段后,NB T效應(yīng)開(kāi)始起作用，器件飽和 區(qū)漏電流的退化超過(guò)了線性區(qū)跨導(dǎo)的退化.由于HCI和NBT應(yīng)力的共同作用，在器件的漏端產(chǎn)生 了大量的界面態(tài)、氧化層空穴陷阱和氧化層固定正 電荷，其中氧化層固定正電荷使得漏端電場(chǎng)增強(qiáng).由于漏端電場(chǎng)的增強(qiáng)，將產(chǎn)生更多的熱載流子，這些熱 載流子具有很高的能量，其中的一部分能夠穿越氧化層，再在氧化層中產(chǎn)

19、生大量的正電荷、界面態(tài)和氧 化層陷阱，進(jìn)一步增強(qiáng)了熱載流子的退化，襯底電流也大大增加，氧化層固定正電荷主要來(lái)源于空穴陷 阱俘獲的空穴.3結(jié)論本文深入研究了表面溝道pMOSFET的HCI和NB T的耦合退化模式，指出柵氧化層中固定正 電荷的正反饋的熱載流子退化導(dǎo)致漏端電場(chǎng)的增 加.在應(yīng)力偏置條件下的退化特性的測(cè)量結(jié)果顯示 NBT應(yīng)力使得熱載流子退化增強(qiáng).提出pMOSFET的HCI和NB T的耦合退化模式.指出pMOSFET 首先經(jīng)過(guò)第一階段的對(duì)數(shù)時(shí)間函數(shù)退化關(guān)系，然后進(jìn)入加速的退化過(guò)程.氧化層固定正電荷增強(qiáng)了漏 邊界的電場(chǎng)，由于正反饋的作用，出現(xiàn)了加速的熱載 流子退化現(xiàn)象.參考文獻(xiàn)1 Hook

20、T B ,Adler E , Guarin F ,et al. The effect s of fluorine on paramet rics and reliability in a01182 m 31 5/ 618nm dual gate oxide CMOS technology. IEEE Trans Electron Devices ,2001 , 48(7):13462 Morifuji E, Kumamori T ,Muta M ,et al. New considerations for highly reliable PMOSFETs in 100nm generation

21、 and be2 yond. VL SI Technology ,2001 :1173 Ichinose K , Saito T , Yanagida Y , et al. A high performance 0112 卩 m CMOS wit h manufacturable 01 18卩 m technology. VL2 SI Technology ,2001 :1034 Haggag A , McMahon W , Hess K , et al. High2performance chip reliability from short2time 2test s2statistical

22、 models for op2 tical interconnect and HCI/ TDDB/ NB TI deep2submicron transistor failures. IEEE International Reliability Physics Symposium ,2001 :2715 Liu Hongxia , Hao Yue ,Zhu Jiangang. Channel hot2barriers in2 duced degradation behavior in SOI NMOSFET ' s. Chinese Journal of Semiconductors

23、,2002 ,23(1) :65 (in Chinese)劉紅 俠，郝躍，朱建綱.溝道熱載流子導(dǎo)致的SOI NMOSFET '的 退化特性研究.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2002 ,23(1) :656 Liu Hongxia , Hao Yue , Sun Zhi. Hot Carrier effect s in deep sub2micron MOSFET ' s. Chinese Journal of Semiconductors , 2001 ,22(6) :770 (in Chinese)劉紅俠,郝躍,孫志.深亞微米 MOS器件的熱載流子效應(yīng).半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2001 ,22(6):7

24、707 La Rosa G, Guarin F ,Rauch S ,et al. NB TI2channel hot carrier effect s in pMOSFETs in advanced CMOS technologies. IEEE International Reliability Physics Symposium ,1997 :2828 Bravaix A , Goguenheim D ,Revil N ,et al. Hot2carrier damage in AC2stressed deep submicrometer CMOS technologies. IEEE I

25、nternational Integrated Reliability Workshop Final Re2 port ,1999 :619 Yamamoto T , Uwasawa K ,Mogami T. Bias temperature in 2 stability in scaled p + polysilicon gate p2MOSFET ' s. IEEE Trans Electron Devices ,1999 ,46 (5) :92110 Blat C E,Nicollian E H ,Poindexter E H. Mechanism of nega2 tive2b

26、ias2temperature instability. J Appl Phys ,1991 ,69 (3): 171211 Fishbein B ,Doyle B ,Conran C. Thermal instability in p2chan2 nel transistors wit h reoxidized nitrided oxide gate dielectrics. IEEE Trans Electron Devices ,1992 ,39(11) :267212 Kimizuka N ,Yamaguchi K , Imai K ,et al. NB TI enhancement

27、by nitrogen incorporation into ultrat hin gate oxide for 01102 卩m gate CMOS generation. VLSI Technology ,2000 :9213 Chaparala P, Shibley J , Lim P. Threshold voltage drift in PMOSFET ? sdue to NB TI and HCI. IEEE International Inte2 grated Reliability Workshop Final Report ,2000:9514 Sasada K ,Arimo

28、to M , Nagasawa H ,et al. The influence of SiN films on negative bias temperature instability and charac2 teristics in MOSFET ' s. International Conference on Micro 2 electronic Test Struct ures ,1998 :207第5期劉紅俠等：PMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)1011第5期劉紅俠等：PMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)#Coupled Effect of Hot2Ca

29、rrierInjection andNegative BiasTemperature in pMOSFET's3第5期劉紅俠等：PMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)#第5期劉紅俠等：PMOS器件的熱載流子注入和負(fù)偏壓溫度耦合效應(yīng)#Liu Hongxia and Hao Yue710071 , China )(Microelect ronics I nstit ute , X i dian Universit y , Xi'anAbstract : The reliability of pMOSFET 'sunder HCI (hot2carrier injec

30、tion ) and NB T (negative bias temperature ) bias conditions is studied. The current 2voltage characteristics and typical device parameters shift of pMOSFET ' s before and after stress are in 2 vestigated. The results are compared with that of HCI and NB T stress. Measurements of degradation under two stress biases show that NB T stress at high temperature enhances hot2carrier degradation. A positive feedback hot2carrier degradation cau