（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米cmos器件gidl电流及其可靠性研究.pdf

摘要 摘要 栅致漏极泄漏( g i d l ) 电流已经成为影响小尺寸m o s 器件可靠性、功耗等方面 的主要原因之一，它同时也对e e p r o m 等存储器件的擦写操作有重要影响。当工 艺进入超深亚微米时代后，由于器件尺寸日益缩小，g d l 电流引发的众多可靠性 问题变得愈加严重。本文主要对9 0 r 吼c m 0 s 工艺下m 0 s f e t 的g i d l 电流的物 理机制以及相关的可靠性阕题开展了深入和系统的研究。 论文首先讨论了电子隧穿半导体禁带的物理机制以及g l d l 隧穿电流与栅漏 交叠区的电场之间的关系，研究了栅氧化层厚度和u ) d 区掺杂这两种因素对交叠 区电场的影响。 论文采取对称的方法研究了漏电压场和栅电压对g d l 隧穿电流的不同影 响。这一方法的思想是：固定扫描得到g d l 隧穿电流转移曲线，固定 扫描得到g d l 隧穿电流输出曲线，并且转移曲线中的和输出曲线中的 麴电压值棍等，这样魏实现了场秘对称的条件。实验发现转移盐线上的g i d l 隧穿电流如与输出曲线上对应的g d l 隧穿电流如之差d _ ，与漏栅电压的曲 线呈驼峰状。动阡反映了和对g i d l 隧穿电流影响的不同，这种差别是因为 两种情形下的横向电场不一样，从而使得交叠区的硅中水平方向上空穴的隧穿产 生差别。在半对数坐标下，p 舸峰值( d 眦删) 与p 硗成线性关系。论文研究了温度 与d 肝的关系，发现随着温度的增加，p 肝曲线向上漂移。论文还研究了热载流 子应力后p 肝的变化情况，发现空穴陷落氧化层中，p 脚曲线向下漂移；电子陷 落氧化层中，p 滞站线向上漂移。在双对数坐标下，p 胍脚的交化量与应力时阃 成线性关系。 论文提出采用g 】d l 隧穿电流来表征l d dn m o s f e t 交叠区的应力损伤的方 法。实验采用栅厚1 4 r i n i 栅长9 0 n i i l 的l d dn m o s f e t ，发现低栅压应力使得阈值 电压变大，这与传统器件中低栅压应力的实验结果不符。本文用g i d l 隧穿电流探 测法证实了低栅压应力仍然是空穴注入应力。此外，本文还用g i d l 隧穿电流探测 法，发现了超薄栅和超短沟器件中，最大衬底电流应力是一种空穴注入应力。 论文研究了l d dn m o s f e t 中的g l d l 应力特往，发现在1 4 蛳超薄橱l i ) d n m o s f e t 器件中，g i d l 应力使得热空穴注入l d d 区界面处并产生界面态，从而 导致器件的阈值电压变大。在交替应力过程中，g i d l 应力产生的氧化层陷落空穴 使得载流子迁移率增大从而可以使阈值电压的退化得到恢复，但恢复的效果取决 于载流子迁移率的增大在器件阈值电压退化中所起的作用。论文还比较了1 4 n m 超薄栅和超短沟l d dn m o s f e t 中的g i d l 应力( g i d l h h i ) 与低栅压热空穴注入 超深亚微米c m o s 器件g i d l 电流及其可靠性研究 ( l g 唧i ) 、衬底热空穴注入( s 腽i ) 的特性差异，并根据它们所造成的损伤区域以 及对热电子损伤后器件退化的恢复程度，将这三种艘1 分成两类：注入过程中产 生的空穴位于u ) d 区界面处( l g 旧i 和g i d i h h d 和注入过程中产生的空穴位于 沟道上界面处( s 删d 。 论文研究了u ) df m o s f e t 和l d dp m o s f e t 的g i d l 产生电流特性，提出 了产生率最大化因子y 的概念，阐述了g l 产生电流的变化规律，发现铀m 栅 厚器件在忙高栅压应力下( 1 l m o s f e t 中为电子注入，p m o s f e t 中为空穴注 入) ，产生电流的峰值随着应力时闻的增大而变小。n m o s f e t 中，产生电流峰值 随应力时间减小的量和氧化层负陷阱电蘅随应力时间增大的量的变化趋势一致， 这是由于应力中氧化层陷阱电子占主导作用，从而减小了漏电压的有效作用，使 得产生率最大值变小。合理忽略界面态的情形下，在这种新理论的基础上，得出 了影响漏电压的定量等效氧化层电荷密度模型，并给出了等效氧化层电荷与栅氧 化层中总陷落电荷之间的关系。实验中这模型对p m o s f e t 的高栅压应力损伤 同样适用。 关键词；栅致漏极泄漏隧穿电流界面态产生电流氧化层电荷 a b 吼m n a b s t r a c t 1 kg a t e d i i l d u c ed r a i nl e a k a g c ( g i d l ) c u 棚h 觞b e a c o m eo n eo f 吐砖s 嘶。惦 o b s 协c l e st 0t h ed c v i c cs c a l l i n ga n dp o w e rc 0 璐u i n p t i o nw h i l e i ta c t s 髂a m 咖e 蚴州t e ，e 豫s eo p 豫t i o nhe e p r o m t h er e l i a b i 崎i s 娥s 毗吨e dw i m g i d lc l l r r e n td e 霉a d ea sm ed e v i b c c o m e ss m a l l c ri nm e 慨d e c pr n i c r o nc m o s p f o c e 鹞t l l i sd i s s e n 砒i o nd e 印l y 锄ds y 曲嘲1 a t i c a l l ys t l 正i e st h ep h y c i c a lm a c h a 斑s n lo f g i d lc 1 】掰如ta n d 虹坨r e l a t c dr c l i a b i l 姆i s s w e si nm o s f e t s 伍b r i c a t e db y9 0 n m c m o s p r o s s n l ed i s s c n a t i b e g i 璐诵t l ld i s c 璐s i o no fm ep h y s i c a lm c c h a l l i 锄o fe l e c 仃o n 恤l e l l i n gt h ef o r b i d d e nb 柚da l l dt h ed e p c i l d e n c eo fg i d lc u 玎c 皿o n 让峙c l e c 研cf i e l d o nt l l eb 鹞i so fs i i i l u l a t i d l l ，t h ee 妇f e c t so fm et h i c b e s so fg a t eo x i d e 趾dt h ed o p p i n g d o s e 证t h e l d dr e 叠i o n o n 纰t 1 艟e i o c t r i c & l da 坞s t l l d i e d 1 b ed i 惫榴l c eb 的砖e nt h e 砌u 锄c c so ft l i ed r a i nv 0 1 t a g ey 舀雒d 雠g a t ev o l t a g e t i l c g d l t 吼n c i i gc 啪嘲吡i s d e a l t w 讹b y 舭s y i i l m 哪m 咖o d w h a t i s c a l l e d t h es y m m e t r ) ，m e t l l o di s ：w eg e t 也eg i d lt i | n n e l i n gc u r r e m s 仃a n s f hc u r v cw i 廿lm e 缸e d a n d 也e g d l n h l n e l i n gc 明c 】吐s0 u 土p u t c u r v ew i 也t h e 缸e d ，m 啜e o f 仃a 咀s 向c u r v ee q u a l s d f t h eo 呻) u tc u e ni sf o u n dt h a t1 h ed i 疗c r e n c eb e m e e n 易o f 仃姐s f 打c u r v ea i l dt l l a to f o u t p u tc u r v e ，d 隅v e r s 邺t l l ed r a i n 如g a t cv o l t a g ep 如s h o w s 也es h a p eo fp e a k ，d 肝i m p l i e st l 地d i 丘b r e m 砌咖c 鹊o f a n d o n 也eg i d l 乜1 m l e 妇gc i 】r r e n t 1 t i s 出l e t o 也ed i 珏色r e n t h o l e 觚e h n g i n 也e l a t c r a id i r c c t i o na tm e o v e d 印r e 百o ni n t e r f a c c 曲d e rt h et v v oc o n d i t i o 璐t h em a ) 【i i n a ld z 隅d 眦枷bv 撕e s l i n e 盯l y 、i t hl 量l e i ns e i i l i - 删l o g a r 主t l l mc o o r d i i l a t e s 岛阡c u r v es h j f i su p u 砌s 雏也et e m p e r a t t l r ei n c r e a s e s i f 也eo x i d ec h a r g 鄂a r eh o l e s ，d 肝s h i f bd o w n w a r d s ，a n d v i c ev e r s a n 坨s h mo fd j 瓢 似h 勰t h el i n e 缸r e l a t i 伽曲i pw i 也g t r e 嚣t i m ei nl o g l o g c 0 0 r d i n a t e g i d lt u 曲e l i n gc u 仃e mm e t l l o di s 印p l i e dt 0d e 蝌廿i e 出m a g ea tt l l eo v e r l a p r e 舀o n ，u n d e rn l el o wg a t ev o l t a g e ( l g v ) s t r e s s ，t h et h i e s h 0 1 dv o l 协g e 所h i 1 1 c r e a s e si i l 也eu l 口a s h 瞰( 9 0 n m ) a n du l 灯a 也i n ( 1 4 n m ) l d dn m o s f e t s 1 k 嘲u l 乜a 托o p p o s 沁 t ot h ed e 口a d a t i o np h e n o m e i l ao fc o n v e n t i o n a ln m o s f e ti i lt b i sc a o fs 妇s s b y a i l a l y z i n g 吐l eg 【d lt u 埘妮l i i l gc 1 】r 】明啦k 疆b r ca n da 蠡e r 或r e s s ，i ti sc 0 耐- 伽e dt h a t 也c l g vs t r c s si ss t i l lt l l eh o l e 一坷e c t i o n 蛐r c s si nl l l 仃a s h o r t 觚du l 位曲i nl d dn m o s f e t s i na d d i t i o n ，i ti sa l s of o u n d l a l 也em 面苫m ms d b s t r a t ec u “e r 吐j 矗懈s t r e s si sa 超深亚微米c m 0 s 器件g i 阢电流及其可靠性研究 h o l e - 岫e c t i o ns 廿c s sm 血eu l n h o r t 纽d1 1 1 n 砸血l d dn m o s f e t 岫i n gn l eg i d l t t l 】e l i n gn l 玎e n tm e 也o d t h eb c h a v i o u r so f 吐地g i d ls 吮s si i lt h el d dl l m o s f e ta r es t i i d i e d h l 吐i el d d n m o s f e t sw i 山1 4 衄t l l i c kg a t eo x i d e ，n l cg i d ls 雠骆g 呱d f t h eo x i d et r a p p e d h o l e s 锄di n t e r f a c eg t a l e s 盯o u n d h eo v e d a p p e dr e g i o 轧nr e s u i t sm 也ei n c r e eo f 玢孙 d u r i n gt h ea j t e m t i i l gp r o c e s s ，t h er e c o v e f yo f 南d 哪唧d sm a i n l yo nt h eh o l e i n d l 垃e d r e c o v e r yo fc a 玎i e fm o b i l i t yi n c r e 舔e m o r e o v t h er c s i l l t so fr e c o v e f yd 印e i l do nt h e r o l e so fc a 商e rm o b i l i t yi n c 陀笛eo n 也e d e 掣a ( 协= i o n 。o na c c o 妣to ft 瞎d i f r e f e n t l o c a n o 船o fh o th o l e s - i i l d u c e dd a m a g ca n dt l l e i rd i 丘b r e n t 砌u e i l c e so nr e c o v e f i n gt h e d e 伊a d a i i o ni n d u c e db yh o te l e a n 埘e c t i o n ( h e i ) ，l g vh o th o l e 蝎c c t i o n 函g v h h i ) ， g i d l 删i ，辄b s 灯a 把h h i ( s 唧di nu l t r a s h o r t 锄du 1 臼旧：i h j n ll d dn m o s f e t sa r e d i v i d e di i l t 0 似o n s ：h 0 1 e sc r e a t e dl o c a t ea tm ci l l t e r 缸ei n 也el d d f e g i o n ( 地 l g v 砌锄dg i d l h h i ) a 1 1 dh o l e s 铡瓣dl o c a t ea t 吐抡i n l 妇i nt h cc h a i l 鹏lr e 西o n ， i e s h h i d 试n g 也es t u d yo f 也eg i d lg c n e r a t i o nc 碳i n to fl i ) dn m o s f e ta n dl d d p m o s f e t ，t h em a x i m a lg e r a t i o nf i 坝o ry i sp f o p o s c da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg i d l g e r a l i c u 玎e 乱ti s s h o w nu s i l l gy ni sf o 姗dt l l a tt l l eg e n 蒯o n 础mp e a k d e c r e 够e s 雒m e 鼬r e s s t i m e j n c r e 勰e s m l d e r m e l l i g h - g a t e v o l 诅g e ( h g v ) s 订e s s ( i t i 巧e d t s e i e c n d 玎峪i n1 h ei 心订o s f e t 锄dh o l e si n 吐l ep m o s f e l ) i nt h e 钿m t 1 1 i c l ( n e s sl d d m o s f e ，r f 0 rn l ec a o f n m o s f e t t l l ed e c r e a h a st h e 姗em m d s 谢mt h ei n c f 瞅 i nt h ed e n s i t ) ，o f o x i d e 们p p e dc l e c 仃。璐i t 勰c r i b e st 0t l l ed o l i l i n 妇go x i d ct r a p p c d e l e c t r o 璐w k c hr e d l l c et h ee 螽c c t i v ed r a i l lb i a s m a tl o w e r i n g 伯em a x i m a lg e i l c r a t i o n m t c i g n o r i l l gt l l e i m 盯f l a c es t a t e sr e a s a b l y t l l ed e l l s i t yo ft h ee 丘b 砸v e 把i p p c d e i e 咖璐a 彘c t i n gt l l ee 饪邕c t i v ed r a i nb i a si sc a l c u l a c dm 抽g 廿1 i sn e wm o d e l 1 1 l i sm w m o d e la l s oh o 地f o r m c c 撇o f 也e p m o s f e t u n d e r 血e h g v 妣s s ：i ( e y w o r d s ： g a “卜i n d u c e dd r a i nk a k a g e ，t u n n e i i n gc h i 咖t i n t e r f a c es t a t e ， g e n e r a t i o nc u r r e n t o x i d ec h a i 苫e 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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；也不包含为获得嚣安电子科技大学或其它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，本人承担一切的法律责任。 本人签名：堕鱼叠日期垒立：! 皇： 7 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，邸：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。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撂写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 导师签名： p 瓠 醐扣许双q 第一章绪论 第一章绪论 晶体管的发明引发了人类历史上一次伟大的技术革命，它使人类进入到了一 个全新的半导体器件时代。特别是m o s 器件的出现，更使集成电路工业开始了一 个蓬勃发展的历史进程。几十年来，硅基微电子技术遵循m o o r e 定律向前迅猛发 展。可以预见，在未来几十年内微电子产业仍然会以硅基c m o s 工艺技术为主流， 同时也将会继续保持目前高速发展的趋势。 1 1g l d l 电流及研究意义 1 1 1 静态功耗与g i d l 泄漏电流 当前微电子产业的核心是m o s 集成电路，它正以惊人的速度改变着我们的世 界，据估算全球每天使用超过1 5 0 亿块集成芯片i l o 】。这种技术上的成功催生了很 多新生行业，如个人电脑、外围电路以及消费电子产品，同时也革新了其他的传 统行业，如通讯业的发展。在人们对集成电路性能和速度需求不断提高的驱动下， 器件工艺不断得到改进，器件特征尺寸不断减小，芯片集成度不断提高，处理速 度更快，单个芯片制造成本降低，这些都使得个人信息娱乐以及无线设备的便携 化成为可能。随着电池供电的便携式电子产品应用领域的拓宽以及需求的迅速增 加，人们强烈渴望电子产品在有限的电池能量下能够更持久的工作。这一方面要 求电池向着更小体积、更高容量的方向发展，另一方面需要降低电子产品的功耗。 功耗分为动态功耗和静态功耗，动态功耗是与电路工作中频率相关的功耗， 通过低功耗设计方法和系统优化可使其达到最小化。而对于静态功耗，它主要归 咎于与器件结构设计和制造密切相关的泄漏电流。工艺每前进一个节点，泄漏电 流大约增加5 倍，由其引发的静态功耗在集成电路整个功耗中的比例正在变得越 来越大。图1 1 所示即为由泄漏电流引发的静态功耗在总功耗中所占的比例，从图 中曲线可以看出，随着工艺的进步，这一比例还在急剧上升。在1 o 岬工艺时， 泄漏电流所带来的功耗仅占总功耗的o 0 1 ，而在o 1 岫时，其已经占到了4 0 ， 在未来的更小特征尺寸工艺下，静态功耗在总功耗中将占主导地位。因此随着集 成度大幅度的提高，泄漏功耗已经成为了一个严重的问题，它不仅仅影响到便携 式电子产品领域，同样影响到整个芯片性能甚至是系统的可靠性。为了继续遵循 m 0 0 r e 定律以及获得尺寸缩小带来的相应好处，我们迫切的需要解决泄漏电流带来 的问题。 兰超深亚微米c m o s 器件g 1 d l 电流及其可靠性研究 y 甜 t 曲n o b 科钿m r m 椭l p m ) 图1 1 高性能微处理器的功耗眦l 不同工艺下的静态功耗密度趋势图”】 对于高性能的逻辑电路而言，每个晶体管的关态电流已经达到l m v 岫量 级，这样的泄漏电流将会给有1 0 m 个晶体管的芯片带来约1 m a 的寄生电流或者静 态电流。在另一个方面，针对电池使用寿命，便携式电子设备要求它总静态电流 不得超过1 0 “a ，或者m o s h t 关态电流要小于1 0 p 刖肛m 【1 。 栅极 图1 2 深亚微米m o s f e t 的泄漏电流示意图 m o s f e t 中引发静态功耗的泄漏电流主要有【1 5 】：源到漏的亚阈泄漏电流，栅 泄漏电流，发生在栅漏交叠区的栅致漏极泄漏g i d l 电流，如图1 2 所示。在这些 泄漏电流中，在电路中器件处于关态或者处于等待状态时，g i d l 电流在泄漏电流 中占主导地位。g i d l 电流为栅致漏极泄漏电流，发生在栅漏交叠区m o s f e t 这 一重要区域。g i d l 电流测试机构一般为栅控二极管g d ( g 砷e d - d i o d e ) 结构，测试 g i d l 电流时，器件处于关态之中。当栅漏交叠区处栅漏电压p 葡很大时，交叠区 界面附近硅中电子在价带和导带之间发生带带隧穿形成电流，我们把这种电流称 之为g i d l 隧穿电流。随着栅氧化层越来越薄，g i d l 隧穿电流急剧增加。 第一章绪论 1 1 2g 衄i l 电流研究的意义 3 由于芯片在实际工作中很多器件大多数时间处于关态情形，因此随着集成度 的增加，器件特征尺寸减小，如何降低器件的关态电流已经成为了高密度，低功 耗，以及电池供电的c m 0 s 技术可靠性中的一个关键问题。g i d l 隧穿电流是关 态电流的主要部分，因此它的特点和形成机制尤为值得关注【i 在m o s f e t 中g i d l 隧穿电流是与栅密切相关的泄漏电流，它严重制约着氧 化层厚度的缩小以及新型双栅器件的发展【i 。7 】，同时还能引起电路中逻辑状态混乱 以及空穴注入和陷落迸栅介质中等情形，从而导致器件性能不稳定l lm 。此外，带 带隧穿引起的g i d l 电流也给存储器单元带来了诸多的可靠性问题：它是存储器单 元泄漏电流主要组成部分【l9 】，制约着d r a m m o s 器件尺寸的缩小，同时影响着 e e p r o m 、d r a m 和s r a m 数据保持时间的相关特性。图1 3 给出了一个6 管单 元s i 泌m 中隧穿g d l 电流以及e e p r o m 工作过程中g i d l 隧穿电流出现的情形。 l ”i 盘测晰枞虻”i l - j e c t o n rl - - 一 o u md 廊 d h h i 帕f e ( a )( b ) 图1 3 ( a ) 6 - s r a m 中的g i d l 电流【1 1 0 】；( b ) e 既 r o m 中的g i d l 电流【1 1 1 】 s r 砧“、d r a m 以及e e p r o m 基本单元都采用了m o s 结构，按照等比例缩 小原则，随着器件尺寸缩小，源漏和衬底的浓度会随之增加。当栅漏交叠部分的 漏区中杂质掺杂浓度增大时，耗尽层宽度变小，因此耗尽层上电场增加，这使得 耗尽区内带带隧穿几率变大，g i d l 隧穿电流增加。尽管供电电压随着工艺尺寸的 缩小而减小了，但是栅氧化层厚度的减小以及工作温度的增加，也同样引起了超 深亚微米器件中g i d l 隧穿电流的增加。此外，在低功耗设计中，为了降低亚闽泄 漏电流而采用衬底反偏技术，虽然降低了亚阈泄漏电流，但同时也增大了带带隧 穿效应而使得g i d l 隧穿电流增加，因此研究g i d l 隧穿电流有助于更好权衡反偏 情形下低功耗设计中衬底反偏电压的设置。 兰 超深亚微米c m o s 器件g l d l 电流及其可靠性研究 尽管g d l 隧穿电流是一种泄漏电流，它使得器件静态功耗增加，应该加以抑 制，但它毕竟是一个和电压相关的隧穿电流，因此可以利用这种效应，使其成为 有用的电流。在g i d l 效应中，在漏耗尽区中带带隧穿( b t b d 量子效应产生了电 子空穴对，这些电子和空穴更易于从漏电场中获得能量，因此b t b t 产生的电子 或者空穴可以被漏耗尽区内的电场更有效地加速，这种效果使得热载流子注入效 率提高，最高效率可达百分之一i l l 2 】。与之相比，n o r 类型的快闪存储器中使用 的编程方法为沟道碰撞电离热载流子( c h e ) 注入，其注入效率由于注入处纵向电场 较小而较低( 1o 5 1 酽数量级) 。基于此。越来越多e e p r o m 以及其他类型的存储 器利用这种强场下g i d l 应力进行擦除或者写操作。 利用g i d l 效应进行的存储器的擦写操作是在强场下将g d l 效应中产生的热 载流子注入氧化层中。在栅漏电压不是很强的情形下，g i d l 隧穿电流产生的空穴 ( n m o s f e d 会在漏电压驱动下流向衬底。当器俘为s 0 i 结构时，这些空穴将会积 累在源p n 结附近，造成p n 结两边的电子的势垒发生变化，从而使得源端电流发 生变化，利用这种效应制造出了一种新型无电容的l t - d r a m 来存储信息，由于 g i d l 效应中流向衬底的电流不是经过沟道电离碰撞产生的，因此利用这种技术的 存储器的功耗只是传统的由电离碰撞形成衬底电流的同类型1t - d r a m 功耗的万 分之一【1 。1 ”，并且速度更快。 除g i d l 隧穿电流外，g d l 电流还有另一种形式，g d l 产生电流：漏p n 结 由于反偏，产生率大于复合率，在栅控制下，硅和二氧化硅界面处陷阱充当产生 中心而引发另一种栅致的漏极泄漏电流。它的研究要早于g i d l 隧穿电流，也称为 栅控二极管电流，由于这一电流的测试结构与g i d l 隧穿电流一样，都是栅控二极 管( g d ) 漏极电流，近年来研究者也将其归入栅致漏极泄漏g i d l 电流【1 l l 坷，为 了与隧穿电流区分，我们称之为g i d l 产生电流界面附近氧化层中电荷、陷阱 或者界面态一直是m 0 s f e t 工艺中关注的焦点之一，这些缺陷对m o s f e t 特性有 很大影响。由于g i d l 产生电流是由界面陷阱产生的，而且它对氧化层中电荷也非 常敏感，因此研究这种电流可以更好的获得氧化层以及界面陷阱的信息同时 g i d l 产生电流也已成为衬底极板沟槽型d r a m 的泄漏电流，严重影响其保持时 间特性7 】。 综上所述。g i d l 隧穿电流和产生电流效应已经影响到了器件静态功耗、存储 器数据保持、数据读写操作、m 0 s f e t 器件可靠性、器件界面缺陷探测以及利用 其进行新存储器研发等诸多方面，因此深入研究0 i d l 电流十分必要。 第一章绪论 1 2 g i d l 电流研究进展及现状 1 2 1g i d l 隧穿电流研究的起源 - t 坩 ，一 佃 1 一 ：矿 一，一 一 f 一 1 一 啦 图1 4 两种尺寸的1 1 m o s f e t 亚阈特性以及g i d l 电流【l l q 1 9 8 6 年，w s ，f e n g ，t y c h a n 等【1 1 8 1 在研究m o s f e t 栅辅助击穿阀题时，将 n m o s f e t 的栅、衬底和源接地，漏上加上电压，漏端电流历急剧增大。他们将这 种关态如急剧增大的情形作为一种击穿现象研究，并且得出击穿电压p 锄与栅厚 和衬底掺杂浓度有关。1 9 8 7 年，j c h 吼，t y c i m 等f l l 卿深入研究了关态下这种明 显的电流增大现象( 图1 4 为最富代表性的关态j 莎特性曲线) 。他们认为这是一 种亚击穿泄漏电流现象，并且这种漏极泄漏电流不是增大了的热电流，也不是从 栅上隧穿过来的电子电流，因为这种电流比栅电流大3 个数量级以上他们提出 这种电流来源于漏源交叠区硅中电子的带带隧穿：当源、衬底和橱接地，漏上加 高电压时，栅漏交叠区中耗尽区形成，在电场作用下，这里硅的能带向上发生弯 曲( n m o s f e d ，电子从硅价带隧穿进导带后被漏收集而形成漏电流而，电子隧穿 后在价带留下的空穴被衬底收集形成衬底电流。他们给出了经典的一维g i d l 隧穿 电流模型： l = 4 e ，e x p 【一删1 ”以2 2 意b 】= 4 be x p ( 一口，乓) ( 1 1 ) 乓；垒。攀三：鸳掣 ( 1 - 2 ) 8 “l “3 i “ 式中毋为在硅界面的电场，3 是硅介电常数妇与二氧化硅介电常数的比值。4 是系数，肛2 1 3 m v ，c m ，m + 为电子有效质量。 同一年，t y c h 趾，j c h e n 掣1 捌第一次将这种泄漏电流称为栅致漏极泄漏电 流( g a t e - i n d u c e dd m mi 朋k a g ec u 珊删，简称为g i d l 电流。由于他们在g i d l 电流 垒超深亚微米c m o s 器件g i d l 电流及其可靠性研究 研究方面作出具有开创性的工作及其研究结果与实验相符，后来研究者就一直沿 用g i d l 电流这一名称。为了区分g i d l 产生电流，本文中将隧穿引发的g i d l 电 流称为g d l 隧穿电流。 1 2 2g d l 隧穿电流的研究发展及其现状 从g i d l 隧穿电流命名直到现在，它已经被研究了2 0 年。由于这种泄漏电流 具有多种特性，就此方面的研究也趋于多样化，概括起来分为以下四个方面： 1 )机理与模型的不断改进与完善 在1 9 9 0 年，t e t s u oe n d o h 等【1 2 l l 指出由t y ：c l 脚l 提出的一维g i d l 隧穿电流 模型只考虑了栅氧厚度，而忽视了漏区掺杂浓度的影响，他们建立了一个与漏掺 杂有关的模型。在1 9 9 2 年，t - m i i 等【l m 】叉在g i d l 隧穿电流与栅漏交叠区长度之 间关系的研究上取得进展。1 9 9 8 年，文献【1 2 3 】发现横向电场和它与整个电场的比 率是隧穿势垒降低和g i d l 隧穿电流加强的两个主要因素，并建立了与横向电场有 关的g i d l 隧穿电流模型。2 0 0 4 年，d 础d e 孤等【1 7 1 研究了不同温度与不同端电压 下的g i d l 隧穿电流特性，提出了一个改进的解析模型，此模型将温度纳入其中并 适用于由带带隧穿或者陷阱辅助隧穿引发的g i d l 隧穿电流不同情形。 尽管在此期间涌现了众多的g i d l 隧穿电流模型，但是他们基本上都是对最初 经典一维模型的完善，t y c l 瑚等提出的g i d l 隧穿电流机理一直被沿用。直至 现在，式( 1 1 ) 中的一维经典模型依然被众多研究者们使用，进行与g i d l 隧穿相关 的研究。 2 ) 热载流子及辐照对g i d l 隧穿电流的影响 1 9 8 7 年g i d l 电流这个命名出现不久，h s a s a l 【i 等l l 硼即开始了熟载流予对 g i d l 隧穿电流影响的研究。1 9 8 8 年文献【l 2 5 】发现了热电子注入后g i d l 隧穿电流 变大。1 9 9 1 年，g q l 0 等【l2 6 】比较了最大衬底电流应力下和最大栅电流应力下g i d l 隧穿电流的退化情况，发现最大树底电流应力下退化情况更加严重，并指出氧化 层陷阱电荷和界面陷阱对g i d l 隧穿电流影响不同：氧化层内陷阱电荷使平带电压 漂移；界面陷阱引入了陷阱辅助隧穿电流成分。1 9 9 2 年，a b j o s h i 【l g l 对氮化的 氧化层n m 0 s f e t 进行了应力后g i d l 隧穿电流研究，发现在低漏电压范围，电子 注入二次氧化后的氮氧化层后g d l 隧穿电流增加的程度比未进行过二次氧化的 氮氧化层小。1 9 9 2 年，a l c x a n d r ea c 0 “c 掣l 2 7 1 研究了x 射线辐照对m o s f e t 中 g i d l 隧穿电流的影响。他们发现x 射线辐照在n m o s f e t 中由静电引入的正电荷 使g i d l 隧穿电流发生退化，但是这种退化可以在4 0 0 摄氏度的气体中退火得到恢 复。2 0 0 1 年，s i 目啪gm a 等1 1 4 】研究了等离子体损伤后的g i d l 隧穿电流退化问题， 认为g i d l 隧穿电流的增加主要归因于在等离子体工艺中产生的界面态，而与栅氧 第一章绪论 7 化层中少量的陷阱电荷无关。2 0 0 3 年，k 姐g g u oc h c n g 等【1 捌发现氘会钝化界面态。 可以抑制器件的g d l 隧穿电流在应力下的退化，并指出氧化层陷阱电荷通过改交 带带隧穿几率，从而影响高场下的g d l 隧穿电流，而界面陷阱则会在低场情形下 引入界面辅助漏电机制改变g i d l 隧穿电流。2 0 0 4 年，j i a y ih 咖g 等【l 删发现边缘 直接隧穿占主导地位，在漏扩展区的正电荷陷落会导致关态漏泄漏电流的明显增 大，同时还发现在栅氮氧化层中，随着氮含量增加，关态漏电流明显增大，这是 由于氮加强了电荷在氧化层中的陷落。 3 )降低器件g i d l 隧穿电流的工艺技术以及新器件结构 1 9 9 6 年，n i c kl i n d e r t 等【1 q 比较了p + 型多晶硅和n + 型多晶硅p m o s f e t 的 g d l 特性，发现就g d l 隧穿电流而言p + 型多晶硅p m 0 s f i 玎有更好的性能。两 年后，衄j i lg h o d s i 等【l 川讨论了如何通过选择侧堵材料、侧墙宽度以多晶硅二次 氧化的条件来降低g i d l 隧穿电流，文中认为侧墙氧化的优化程度和侧墙宽度在不 影响器件性能的条件下对减小或者控制泄漏电流作用显著。 器件结构改变，也可降低g i d l 隧穿电流。1 9 9 6 年e m i la m o l d 掣l 3 2 l 指出， 硅器件中温度升高会增加泄漏电流，这严重影响器件工作温度的上限。而由于采 用全介质绝缘，s o i 器件贝0 展示出了比硅衬底器件更低的寄生泄漏电流。2 0 0 3 年， w m 枷等【l 1 0 】比较了不同杂质掺杂下的结果，发现漏扩展区仅用磷掺杂可使器 件g i d l 隧穿电流变小，但是这种设计并不能被超低功耗技术使用，因为它会带来 更高的寄生电阻以及使器件抗热载流子损伤特性变差。 4 )利用g i d l 隧穿电流效应方面的进展 1 9 8 8 年，c h a r v a k ad l l v v u r y 掣1 。3 3 】利用界面态陷阱可影响g d l 隧穿电流这一 效应，提出应用应力前后g i d l 隧穿电流变化来测量界面态密度的方法，他们给出 了一个适应于大尺寸器件的简洁模型：4 r f f = r c “砂4 p 0 ，其中4 为应力前后同 一电流对应的栅电压变化量。1 9 9 8 年，t a h u iw 姐g 等【1 3 4 l 报道了基于传统一维模型 上的一种用于检测氧化层陷阱的g d l 新方法，这种方法对氧化层电荷非常敏感。 以上这些工作，使利用g i d l 隧穿电流技术探测界面陷阱电荷技术向前迈进了大 步。 除了应用g i d l 隧穿电流方法检测陷阱电荷外，其他利用g d l 隧穿电流方面 也取得了大的进展。2 0 0 6 年，尉iy 0 s h i d a 在e d 上报道了利用g d l 隧穿电流进 行写操作无电容的l t d r a m 技术是未来d i u m 大规模集成电路最有希望的技术 之一这种l t - d r a m 单元与传统的利用碰撞电离电流进行的写操作的同类型的 1 t - d r a m 相比，为我们提供了更低功耗和更快速度的写操作3 1 8 超深亚微米c m o s 器件g l d l 电流及其可靠性研究 1 2 3g m l 产生电流的研究发展及其现状 相比l 隧穿电流而言，g d l 产生电流的研究要早很多。由于m o s 管就 是由栅控p n 结构成的，这种在反偏情形下热产生电子空穴对机制是一个重要的物 理过程，严重影响着半导体器件性能。 p n 结反偏情形下产生电流的研究历史悠久，但是m o s f e t 中栅控情形下的产 生电流即g i d l 产生电流研究是1 9 6 6 年才由g r i ) v e 【l 3 5 1 开始的，相继的研究随后 展开。随着对m o s f e t 结构中栅控产生电流特性的深入研究，这种电流在工艺中 已被广泛的用来测试分析m o s f i 玎器件的性能。g i d l 产生电流相比c v 法更直 接而且更能准确反映出平带电压、阈值电压和界面陷阱等的大量信息。这种电流 对控制工艺特性以及技术发展的工艺设计者相当有用，因为它反映了栅控制下的 p n 结特性。这种电流也有助于分析c c d 器件的图象特性，并且对耦合c c d 器件 的动态特性影响极大【1 3 副，g d l 产生电流会使模拟信号失真，限制存储时间，以 及会降低光敏度和增加噪音，同时这种异常热产生情形也经常决定着工艺成品率。 g i d l 产生电流由于其和衬底硅表面的情形密切相关，它也被应用在探测热载 流子损伤后器件界面以及氧化层中的损伤方面。g i d l 产生电流仅仅是一个直流测 试，它比电荷泵( c p ) 法要简单的多，而且可以反映出很多关于器件参数的性能，因 此在探测应力后器件损伤方面此种方法获得了日益广泛的应用。近年来g d l 产生 电流又被用于研究核辐射下器件以及电路的损伤，它可以定量的评价核辐照后 m o s f e t 器件的损伤【1 3 7 1 。此外，w 证gk 等【1 3 8 1 最近利用栅控二极管( g d ) 特性制成 了m o s 敏感放大器，这种放大器电路简单，并且拥有高的增益以及低的功耗，同 时它对电压和工艺的变化也有很强的容限。 1 2 4 国内研究现状 国内g i d l 隧穿电流研究总的来讲开始较晚，清华大学微电子所开展了这方面 的研究i l 捌。他们发现与s i 0 2 栅n m 0 s n t 相比，l d d 掺杂结构使s i 0 0 栅 n m o s f e t 的g i d l 进一步增强。华中理工大掣o 】也开展了相关的工作，他们对 热载流子应力下不同栅氧化物n m o s f e t 的g i d l 隧穿电流退化进行了研究，发现 g i d l 的漂移对栅电压非常敏感，在= o 5 场时的应力条件下呈现最大，同时还 发现n 2 0 氮化，特别是经过n 2 0 退火和n h 3 氮化的n m 0 s f f r 比常规热氧化 n m o s f e tg i d l 漂移更小。 西安电子科技大学在小尺寸半导体器件可靠性和失效机理方面有长期研究， 并取得了系统的成果。 相对于国际上g i d l 隧穿电流以及g i d l 产生电流研究程度的加大，g i d l 产 第一章绪论 生电流研究方面在国内才开始引起关注，但研究相对较少，研究范围也较小。 1 3 本论文研究内容及其安排 9 本论文在国家8 6 3 高科技项目和国家自然科学基金的支持下，主要针对9 0 嫩 c m o s 工艺下l d d m o s f e t 器件g d l 电流特性以及可靠性问题，从电流机理、 探测陷阱、g i d l 应力等方面进行了深入和系统的研究。论文分类研究了g i d l 电 流特性：第二、三、四、五章主要是研究了l d dr l m o s 肼沟道积累状态时g m l 隧穿电流。第六章研究了l d dn m o s