（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米pmosfet的自愈合效应.pdf

摘要 摘要 本文首先研究了p m o s 器件各种静态参数随时间应力的退化，并得到了器件 退化的规律。讨论了n b t i 效应的产生机制，发现是由于s i s i 0 2 界面处的界面陷 阱和正固定氧化层电荷导致了器件特性的退化。 重点研究了p m o s 器件n b t i 效应中的自愈合效应。自愈合效应是指去掉n b t 应力后器件的特性参数会自行恢复到一定程度的现象。发现在最初的恢复阶段器 件的特性会有一个快速的恢复，随着恢复时间的增加恢复逐渐减缓并且趋于饱和。 同时器件阈值电压的恢复与恢复时间呈现指数关系。同时发现器件的关键尺寸以 及所加应力的不同都会影响器件白愈合效应的效果。 自愈合效应的产生是由于去掉n b t 应力后界面处产生的界面陷阱被钝化。研 究表明在无应力阶段界面处空穴的解陷作用也是影响自愈合效应的关键因素。 关键词：p m o s 器件，负偏置温度不稳定性，自愈合效应，阈值电压，界面陷阱 a b s t m c t a b s t r a c t f i r s t ，t l l ed e 孕a d a t i o nc t l a m c t e r i s t i c so fs e v e r a lt y p i c a ld e v i c ep a r a m e t e r sw i t l s t r e s st i m ea r es t u d i e d t h em e c h a n i s mo f n b t ii ss t u d i e da n dt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s g r o ww o r s e ni sm a i l l l yb e c a l l s et l l e i m e r f h c et r a pc h a r g ea n df i x e do x i d ec h a r g ea t s i s i 0 2i n t e m l c e t h en b t le 能c ti ss t u d i e di nt l l i st l l e s i s 、i t l le m p h a s i so ni t s s e l f - h e a l i n g p h e n o m e n o n t h es e l f - h e a l t l l i n ge 仃宅c ti st h er e c o v e r yo fd e v i c ep a r a m e t e r sp h e n o m e n o n a 船r r e m o v a lo fn b t is t r c s s i nt l l ci 硫i a lr e c o v e r y 龇( 柳i c ec h m c t c r i s t i c sh a v ea q u i c kr c c o v e r y ，丽m 也em c r e a s i n go fr e c o v e r y 血n et h er e c o v e r yb e c o m es l o w e ra n d r e a c hac o n 渤l tq u a l l 毋码ev l hf e c o v e r yf o l l o w e d 也ep o w e r l a wr e l a t i o n s h i p 谢t l l r e c o v e r yt i m e n l ee 脏c to fs 仃e s sa i l dd e v i c ed i m e i l s i o no ns e l f - h e a l i n ge 脆c ti sa l s o s t u d i e d ni sf o u n dt l l a ta l lo ft h e s ef a c t o r sc a ni n n u e n c es e l f - h e a l i n ge f r e c t i ti sf o u n dt h a tm er e c o v e r yi sm a i l l l yr e l a t e dt om er e p a s s i v a t i o no fi m e 以c e s t a t e sb yh y d r o g e nt h a to c c u 玎e da f t e rm es t r c s si ss t o p p e d s t u d i e d 胁h e rs h o w e dt l l a t h o l ed e - t r 印p i i l ga ts “s i 0 2i n t e 血c ei i lr c l a x a t i o np h 船ea l s oc o n 仃i b u t et or e c o v e r y k e y w o r d ： p m o sn b t l s e l f - h e a k n gv 出 i n t e r f h c et r a p 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；也不包括为获得西安电子科技大学和 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傲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：蛰 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：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、缩印和其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密后 遵守此规定) 本人签名：蛰日期丝生，1 2 ：立j 新懿半 日期蜘 第1 章绪言 第1 章绪言 1 1 n b t i 效应研究的重要性 目前的集成电路( i c ) 中占主导地位的是硅集成电路约占总销售额的9 5 以 上；进入九十年代硅m o s 电路所占份额已经超过7 5 ；? 到九十年代的后半期硅 c m o s 加上b i c m o s 已经超过8 5 。c m o si c 已经成为主流技术并不断巩固其 主流地位。一般也以m o si c 的发展指标作为衡量i c 技术发展的标尺。 随着集成电路规模的增加和性价比豹不断提高，微电子技术发展已经进入了 一个崭新的阶段。从v l s i 超大规模集成电路的发展来说高性能和高可靠性是其发 展的两个方向、1 玉i 超大规模集成电路中的可靠性问题受到v l s i 设计能力和与 应用环境器件和互连工艺等发展的不断影响。随着i c 制造技术向着深亚微米、超 深亚微米方向迅速发展，在m 0 s 器件尺寸等比缩小的同时，器件栅长l 越来越短 以及器件的栅氧厚度逐渐变小，而工作电压并未随之等比缩小，这就导致了作用 在栅氧化层中的电场强度极大的增大，从图1 1 中可以看至q 近年来栅氧电场的变化 趋势【1 1 。 e o o u - y e a r 图1 1 表明目前的栅氧电场大到足以产生n b ”效应 新工艺的采用诸如氮化栅氧等的采用使得m o s f e t 器件中的可靠性问题越来 越复杂。有研究报道表明p m o s 陬的可靠性是由许多不同因素影响的，诸如沟 道热载流子效应，硼穿通效应，超薄栅氧效应等，但是n b l l 效应将逐渐成为 p m o s f e t 退化机制的主导( 2 】。图1 1 表明目前电路中的栅氧电场大到足以产生 2 超深弧微米p m o s f e t 的自愈合效应 n b t i 效应。由p m o s f e t 中的n b l l 效应引起的阈值电压漂移渐渐成为限制器件 寿命的重要因素，它比在n m o s f e t 中的由热载流子限制的器件寿命更短。 负栅压偏置不稳定性( n b t i ，n e g a t i v eb i 觞t 锄p e r a t u r ci n s t a b i i i t y ) 效应是指发 生在施加高温和v 。偏置应力下的p m o s f e t 的一种效应，其典型偏置条件为温度 在1 0 0 - 2 5 0 的范围内，栅氧电场e o 。 6 m v c m 。m 现象很早就被发现，但在过去 的几十年中。由于器件尺寸相对较大和工艺上的不断步，n b l l 效应对器件可靠性 占g 如。 广 商厂 f 一一叫 图1 2 n 明应力示意图 的影响并未得到足够的重视。随着v l s i 技术向超深亚微米方向的迅速发展，器件 沟道长度和栅氧厚度不断缩小，在对超深亚微米器件可靠性的影响中，由n b l l 效应引发的p m o s f 王i t 退化逐渐成为影响器件寿命的主要因素，它比由沟道热载 流子效应( c h c ) 引发的讧o s 既汀寿命退化更为严重1 3 j 。n 】狐效应发生在高温和 负栅压偏置应力下的p m o s 聊中，在器件的老化及工作过程中都有可能遇到这 样的条件，它导致了器件漏电流i d 。的绝对值和跨导g m 的减少，关态电流k 和 阈值电压v m 的增加。 早期的二氧化硅作为栅介质的m 0 s 器件表现了n b 砸效应。但是在过去较大 的器件尺寸和当时的工艺条件下，n b 效应的影响并不十分明显，以至于没有得 到足够的重视。随着期间尺寸的不断减小和工艺技术的改进，n 朋效应的影响显 著增强。氮化的二氧化硅大大增强了踟效应，这和在1 9 9 9 年前后氮化栅氧成 为c m o s 的标准工艺之间发生了矛盾。在未来的高k 介质中也报道了n b 效应 的影响【4 】。n 明退化可能增加时序电路中信号延迟从而导致时序漂移，在模拟电 路特别是在一些参数匹配的应用中，电路工作条件会对匹配的晶体管施加非对称 的偏置应力导致明显的参数失配【5 6 】。如果失配超过了电路允许的程度，随着器件 尺寸及栅氧厚度的不断缩小，以及一些新工艺诸如氮化栅氧等的采用，n l m 效应对 器件可靠性的影响比h c 效应更为严重，研究表明在0 1 断m 工艺技术后n b l l 效应 将最终限制器件的寿命。 第1 章绪言3 1 2 国内外n b 丁i 效应的研究进展 早在1 9 6 7 年人们就已经开始研究n b l l 效应l ”，并认为他是第六名影响器件 稳定性的因素【8 l o 贝尔实验室的工作小组第一个给出了n b ，n 退化的详细描述。到 了1 9 9 9 年0 1 趴m 工艺技术逐渐成为主流后，有关煳效应的研究逐渐发展起来。 日本n e c 公司u l s i 器件研发实验室报道了采用了超薄栅氧的p m o s f e t 器件中 由蚤形n 引发的器件退化。他们发现在c m o s 器件中由n b n 引发的v t l i 漂移而不 是n m o s h t 中的h c 成为器件寿命限制的主要因素1 9 1 。并且还针对p + 栅 p m o s f e t 中的m 豇效应可能的机理和抑制方法进行了研究。台湾m m c 的 y f ：c h 如对0 1 跏m 栅的p + 栅p m o s f e r 中的n b l l 效应进行了研究，给出了在 n 町l 应力后器件特性变化并且依据实验测量数据后得出n 效应中阈值电压退 化的计算公式v 矗= e d x ( 脚t o r 3 7 e x p ( o 3 伽 白，1 哕1 0 1 。还有相当的研究集中在n b = n 对数 字电路和模拟电路的影响中，德国的b 缸e o n 公司研究了包括n b 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。a g e r c 公司则给出了由卜耐n 和 应力h c 应力引发的模拟电路中的参数失配问题【5 回。公司则全面的描述了套踟 对数字电路带来的可靠性影响。还有很多研究是针对n b ，效应中的一种特殊现象 既自愈合效应。由a g c r c 公司的工程师舢锄研究的n b 模型表明随着尺寸的不 断缩小，n 朋效应对电路和器件的可靠性的影响不断增强。但是通过n b 可自愈 合效应( s e l f h l i n g ) 大大减少了这种效应的影响【1 l t 协。 由上可知到目前为止国内外关于小咖效应的研究主要集中在以下的几个方 面： 1 ) n b l r i 退化现象的研究。踟效应导致了器件漏电流i 蜘的绝对值和跨导g 。的 减少，关态电流i 。拂阈值电压v 恤的增加。 2 ) n b l l 退化机理的研究：目前关于n b t i 效应中界面陷阱的产生模型进行了大量 的研究，尽管仍然没有同一的认识，但是在目前提出的有关效应中界面 陷阱的产生模型主要有两种。 夺氢反应模型 电化学反应模型。 3 ) 动态舢效应的研究 在实际情况中电路很多情况是工作在交流状态下，因此需要研究在a c 偏置应 力下p m o s 阿r 中的n b l r i 效应，因为在大多数数字电路中的器件工作在交流信号 下，在交流应力下的器件n b 砸退化更能够真实的反应器件的工作状况。由a g e r c 公司的工程师a l a m 研究的n b ，1 1 模型表明随着尺寸的不断缩小，n b 皿效应对电 路和器件的可靠性的影响不断增强。但是通过n 肌自愈合效应( s e l f - h e a l i n 曲大大 减少了这种效应的影响。随着芯片不断采用1 3 0 n m 和9 0 n m 的工艺，l 、咖效应的 4超深亚微米p m o s f e t 的自愈合效应 影响将会不断增强。但是从全面的角度来衡量，很难预测这种自愈合效应的好处， 但是这个现象确实发生并且改善了n 盯i 效应。由于每个晶体管退化是和特定的路 径相关的，很难知道每个特定的晶体管的偏爱情况。在m o s f e t 关断时，它通过 自退火效应可以使自己恢复，恢复了大约6 0 的损伤。通常的n 豳叮效应研究中， 它们使器件持续保持在工作状态，但这是不现实的。在达到更高的工作速度后， 由于自愈合效应会使器件的寿命延长1 0 0 倍或者更多。所以有可能通过优化设计 和工艺使得器件的s c a l i n g _ d o 、瓶继续下去i ”j 。 4 ) 不同工艺对n b l l 的影响 栅氧中通常含氮以减少在p m o s 聊：中的硼扩散，改善抗热载流子能力，增； 加介电常数。氮化栅氧已经成为大规模集成电路生产的标准工艺之一，但一定量 的氮和氮化却增强了n b l l 效应。 1 3 主要的工作步骤 ：随着器件尺寸向超深亚微米不断发展，n b 弧效应逐渐成为p m 0 s 飓t 退化机 制的主导。由于p m o s h 强中的n b l 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，但是通过卜母自愈合效应( s e l f h e a l i i l g ) 可以很大程度的减 少这种效应的影响。本论文主要进行的研究工作主要包括一下几个方面： 1 1 ：分析了舰应力前后对p m 0 s f e t 的分析器件输出特性i d 一，线性区和饱和 区转移特性i d v | 变化，给出了不同的关键参数主要包括：阈值电压( v 矗) ，跨 导( g m ) ，线性漏电流( i d i i 。i d l i l l ) ，饱和漏电流( l d s a 儿l s a t ) 等随n b t 应力时间 的退化规律。并在夺t b 砸退化现象的基础上给出了器件退化的机理。 2 ) 分析了n 肌应力后以及放置一段时间后p m o s 旺i t 暑导件输出特性i d - v d ，线性区 和饱和区转移特性k 变化，给出了不同的关键参数主要包括：阈值电压 ( v 山) ，跨导( g m ，g m ) ，线性漏电流( i d - l i d h n ) ，饱和漏电流( i d s a j 等随 n 】b 研立力时间的退化规律以及去掉应力后器件的恢复规律。通过试验证明； n 】玎i 应力后将器件放嚣一段时间后，器件的特性的确会发生恢复。这个现象 说明了自愈合效应确实发生了，并且会对器件寿命的提高起一定的作用。 3 ) 在自愈合效应恢复现象研究的基础上，首先讨论了硅一二氧化硅界面处界面陷 阱以及氧化层的特性，并在此基础上提出了自愈合效应的产生机理。并提出了 在舰效应和自愈合效应器件空穴和氢的作用。 4 ) 分析了p m o s f e r 器件结构参数( 栅长、栅宽和栅氧化层厚度) 以及应力条件 ( 应力温度、应力时间) 的变化对自愈合效应的影响。 第2 章n 咖效应机理研究 5 第2 章n b l r i 效应机理研究 利用分别采用标准o 2 靴m1 p 5 mc m o s 工艺和o 1 印锄1 p 6 mc m o s 工艺制 作的t c s tc 鼬i p 。介绍了研究m 玎效应所用的器件，并且给出了测试玎效应的 可行方案以及对测量数据的分析方法。本章主要研究了在n b t 应力前后对 p m o s f e t 特性的变化情况；给出了器件的i - v 特性随应力时间的变化趋势，同时 还给出了不同关键参数随n 】玎应力时间的退化规律；研究随着应力时间的增加器 件主要特性参数与应力时间的关系。并在研究了器件特性参数随应力时间的退化 现象的基础上，讨论了n b 田效应产生的可能机制，指出在p m o s 器件中s i - s i 0 2 界面处的界面陷阱与正固定氧化层电荷在器件退化中起到了决定性的作用，同时 提出了界面处的界面陷阱和氧化层电荷的产生机制即氢反应模型和电化学反应模 型。并且提出空穴在器件退化中也起到了一定的作用 2 1 试验器件的制备、应力方案、测量方法和分析方法 为了深入研究p 册效应对目前超深亚微米器件的影响，搞清楚n b 啊效应发 生的机理，需要制作能够满足测试需求且反应目前主流工艺的测试芯片。考虑到 工艺技术的先进性以及加工费用和流片时间的要求，参加多项目晶圆( m p w ) 流 片是合适的选择。多项目晶圆m p w ( m i l l t ip r o j c c t w 妇) 就是将多种具有相同工 艺的集成电路设计放在同一圆片上流片，流片后每个设计项目可以得到数十片芯 片样品，这种流片方式对于研究工作和验证测试非常有利。 2 1 1 器件的制备 o 2 鄢船的h 砰w 测试芯片由台积电髑m c 来加工，采用t s m c0 2 却匝i j d g i c 5 m 1 p 的标准工艺，芯片面积3 3 删丑2 。第二次o 1 鼬m 的m p w 测试芯片是由中 芯国际s m i c 来加工，采用s m i c0 1 跏mk 哂c6 m 1 p 盼标准工艺，芯片面积3 3 皿丑2 。为了测试不同尺寸的器件的特性，分别在o 2 靴m 和o 1 即m 的测试芯片中 设计了p m o s f e t 模块一主要包括了尺寸从0 2 靴m 耻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1 k 的 p m o s 唧器件。其典型的工艺指标见表2 1 和表2 2 。o 2 私m 测试芯片和o 1 即m 测试芯片的实际的芯片见版图2 1 和图2 2 。 6超深亚微米p m o s r 汀的自愈合效应 表2 1t s m co 2 即ml 0 9 i c5 m 1 p 标准工艺 c m o s 工艺 t s m c - 0 2 5 5 m j p d 髓p 最小栅长 0 2 4 圳n 最小栅宽 o 3 6 加n 金属层次五层金属 多晶硅一层多晶硅 i 丑m b d ao 1 2 加n 栅氧厚度t 衄5 0 五( n i n ) 7 0 a ( n i c k ) 表2 2s m i c 0 1 单m l o g i c6 m 1p 标准工艺 c m o s 工艺 s 硼c 1 8 - 6 m j p d 髓p 最小栅长 o 1 8 删：i l 最小栅宽 o 2 4 “m 金属层次六层金属 多晶硅一层多晶硅、 l a m b d ao o 吼 栅氧厚度t o l 3 丛( 1 ) 7 0 a ( t h i c k ) 图2 1t s m co 2 s u m5 m 1p 测试芯片版图 第2 章n b l l 效应机理研究7 图z 2s m i co 1 8 u m6 m 1 p 测试芯片版图 要想深入研究超深亚微米p m o s 器件中的砌效应，需要采用对器件施加 n b 应力的方法来研究在应力前后器件参数及特性的变化，进而寻找引发这些变 化的内在机制。首先测量器件特性参数在应力前后的变化是非常必要的。需要测 量的器件特性包括：器件输出特性i d - v j ，线性区和饱和区转移特性k k ，亚阈特 性s 的变化，栅电流k 和衬底电流l u b 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( ，跨导( 踟蚰，线性漏电流( 枞曲，饱和漏电流 ( k 。k t ) 和亚阈斜率s ，其中某个参数漂移或者退化量过大就表示该器件已经失 效，通常也是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 参数随应力时间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。 2 1 2 应力测试方案 我们采用如下的测试方案：首先明确需要测量的器件参数，确定器件上需要 施加的应力偏置的大小，选择好需要测量的器件进行未施加应力前的初始参数及 特性测量，然后对器件施加应力。在到达应力时间以后去掉外加应力，进行应力 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，可以清晰的描述n b 耵对器件和 电路的影响。图2 3 为n b l l 效应的测试流程图。针对n b 砸效应的测试按照以下 顺序来进行，在最后对通过实验获取的数据进行分析和整理。 8超深亚微米p m o s f e t 的自愈合效应 增 图2 3 应力测试方案 2 1 3 器件特性的测量方法和分析方法 n 朋效应测试中首先需要确定n b l l 应力偏置的大小。通常的n b l l 应力中 栅压的选择遵循的原则为v d d v 萨 ( 1 0 0 ) 4 1 1 2 固定氧化层电荷的物理模型 过剩硅离子是目前最满意的固定氧化层电荷模型，硅的热氧化过程是由于过 剩的氧原子向内运动形成的，在近于s i s i 0 2 界面的氧化物中必然存在着过剩的硅 s i 0 2 s i 、 0 2 v q f a s i 0 2 ， s i f 0 2 q f b s i 0 2 s i 、 国iq v c 图4 2 固定氧化层电荷产生的示意图 等待着和氧进行反应。当氧化过程终了，这些硅离子冻结下来而产生正电荷1 1 9 】。 固定氧化层电荷的产生如图4 2 所示，a 在较高的氧化温度下，氧扩散的很快，多 数过剩硅和氧进行反应，只留下少量的固定氧化层电荷。b 在较低的温度下硅和氧 的反应很慢，则许多过剩硅离子堆积在界面附近而形成一个高密度的固定电荷。c 超深亚微米p m o s f e t 的自愈合效应 在退火过程中，过剩的硅和氧反应，结果得到一个很低的固定氧化层电荷密度。 4 1 2 界面陷阱 4 1 2 1 界面陷阱的特点 界面陷阱和一般体内禁带中的杂质能级一样，也分受主和施主两种。不论能 级在禁带中的位置如何，若能级含有电子时呈中性释放电子后呈正电性，则成为 施主型界面陷阱电荷，若能级不接受电子时为电中性状态，而接受电子后带负电， 则相当于受主型界面陷阱电荷。 4 1 2 2 界面陷阱的物理模型 界面陷阱和固定氧化层电荷层存在着密切的联系，认为界面陷阱是由二氧化 硅中电离的杂质形成的数目大约相等的正电和负电中心构成的，当这些带电的库 氧化物 + + + 电子 空穴 深电子能级 图4 3 界面陷阱的物理模型 仑中心靠近s i s i 0 2 界面( 距界面小于d ) 时形成界面陷阱【2 0 】，而当这些带电中 心距界面较远时便构成固定氧化层电荷。 4 1 3 界面陷阱与固定氧化层电荷的关联 界面陷阱和固定氧化层电荷虽然本质不同，但又很多的共同性质，这称为它。 们之问的关联性。这种关联性表现如下例： 1 ) 界面陷阱和固定氧化层电荷对晶向都有依赖性都按( 1 1 1 ) ( 1 l o ) ( 1 0 0 ) 晶向顺序减少。 2 ) 在适当条件下固定氧化层电荷将会增长，这时界面陷阱也随着固定氧化 层电荷的增长而增加，而且它们的增长数量具有相同的数量级。 3 ) 电辐射对二氧化硅层的照射可同时产生固定氧化层电荷和界面陷阱 4 ) 当发生表面雪崩效应，所产生的电子和空穴注入到二氧化硅和硅一二氧化 第4 章自愈合效应机理研究 硅界面时固定氧化层电荷和界面陷阱都同时按比例的增长。 5 ) 当加高场于m o s 结构的橱氧化层时，则固定氧化层电荷和界面陷阱同时 增长。 当然这些关联性也不是绝对的例如经过真空退火后，界面陷阱有所提高，但 固定氧化层电荷却有所降低 4 2 自愈合效应产生的机理 4 2 1 器件特性测量 我们在测试中采用了两个完全相同的器件，钡试中采用的是p m 0 s r t 器件， w 力l = 1 o 0 。2 5 ，栅氧厚度为t 0 x = 7 n m 测试应办为温度1 2 5 栅压一4 7 5 v 。在每 一个n b t 应力时间完成后器件a 马上测量，而将器件b 放置1 0 0 0 秒后再进行测 图4 4 半对数坐标_ fa 、b 两个器件的闽值电压 量，观察两个器件阈值电压的不同。可以看出在无应力阶段器件的阈值电压的确 是发生了恢复，这说明去掉n b ，r 应力后器件退化的特性参数会发生恢复一从图4 4 中可以看到n b t 应力时间越长，自愈合效果越明显但