深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合效应与物理机制

深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合效应与物理机制 深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合 效应与物理机制 第26卷第9期 2005年9月 半导体学报 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS Vo1.26NO.9 Sep.,2005 深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合 效应与物理机制* 刘红侠郝跃 (西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安710071) 摘要:研究了深亚微米pMOS器件的热载流子注入(hot—carrierinjection,HCI)和负偏压温度不稳定效应(negative biastemperatureinstability,NBTI)的耦合效应和物理机制.器件在室温下的损伤特性由HCI效应来控制.高温条 件下,器件受到HCI和NBTI效应的共同作用,二者的混合效应 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为NBTI不断增强的HCI效应.在HCI条件 下器件的阚值电压漂移依赖沟道长度,而NBTI效应中器件的阈值电压漂移与沟道长度无关,给出了分解HCI和 NBTI耦合效应的方法. 关键词:深亚微米pMOS器件;热载流子注入;负偏压温度不稳定性;界面态;氧化层固定正电荷 PACC:7340Q;7300;722oj 中图分类号:TN386.3文献标识码:A文章编号:0253—4177(2005)09—1813-05 1引言 M0S器件中的热载流子注入(hot—carrierin— jection,HCI)和负偏压温度不稳定效应(negative biastemperatureinstability,NBTI)是影响器件可 靠性的重要因素.对于目前采用特征尺寸在 0.25/~m以下工艺的MOSFET,其HCI和NBTI可 靠性分析成为高性能设计和高可靠性应用中的重要 环节[】].MOS器件中的HCI效应源于器件特征 尺寸的不断缩小和沟道中横向和纵向电场的增 加[5].在深亚微米尺度下,HCI效应主要反映在沟 道热载流子(channelhot—carrier,CHC)效应.NBTI 效应是由于在高温下对pM0SFET栅极加大的负 栅压偏置(源极,漏极和衬底接地)所造成的器件退 化,表现为阈值电压漂移不断增大,亚阈值斜率不断 减小等器件参数的变化[7~10]. 对于NBTI和HCI这两种单独的效应已有大 量研究,但是关于HCI和NBTI耦合效应对器件特 性的影响则研究甚少.在实际的工作器件中,这两种 效应同时存在并相互影响.如何理解在HCI和NB— TI效应共同作用下,深亚微米pMOS器件的退化以 及这两种效应之间的相互作用机制,以便定量确定 HCI效应和NBTI效应各自的贡献.本文主要研究 了高温沟道热载流子模式下,HCI和NBTI的共同 作用对器件阈值电压和跨导漂移的影响,提出了 NBTI效应不断增强的HCI耦合效应机制和分解 这两种效应的方法. 2深亚微米pMOS器件的HCI和 NBTI耦合机制 实验器件采用0.25/~mCMOS工艺技术制备的 pMOSFET'S,器件的沟道长度L为0.25/~m,沟道 宽度w为5m,栅氧化层厚度丁0为5nm.对HCI 效应,在栅和漏都施加应力,对NBTI效应,高温下 只在栅极施加应力. 在单独NBTI应力条件下,器件中只存在NB一 *国家自然科学基金(批准号:60206006),教育部重点科技研究(批准号:104172),国 防重大预研基金(批准号:41308060305)和博士后基金(批 准号;Q63l2573)资助项目 刘红侠女,1968年出生,博士,教授,博士生导师,主要从事深亚微米器件和电路可靠 性研究.Email:hxliu@mail.xidian.edu.cn 郝跃男,1958年出生,博士,教授,博士生导师,主要从事深亚微米器件和电路建模及 表征技术研究. 2005—01—25收到,2005—03—15定稿@2005中国电子学会 1814半导体学报第26卷 TI效应.在高温CHC应力条件下,器件中会同时存 在HCI效应和NBTI效应.为进一步比较HCI和 NBTI对于pMOSFET特性的影响,在栅电极施加 相同的应力电压V.一一3.5V,改变漏电极所加的 电压,即VD分别等于0,一1.75和一3.5V,源电极 和衬底接地,即保持V一Vs一0V,应力时间t=== 23000s,器件所处的工作温度为丁一150.C.图1给 出了pM0SFET在只有?NBTI应力条件下和HCI 与NBTI应力同时存在条件下,器件阈值电压的特 性退化比较图.对于图中所给出的三种应力条件,栅 上所施加的电压保持不变(V.一一3.5V).其中,实 心方块和空心方块分别代表较高漏电压和中等漏电 压情况下,即NBTI和HCI混合效应对于pMOS— FET的阈值电压退化的影响;实心三角形对应漏电 压为零时,即只存在NBTI应力条件下,pPMOS— FET的阈值电压退化.作为对比,图1还给出了在 施加两种不同高漏压情况下,pMOSFET阈值电压 退化特性的对比(V.一VD一一3.5V和V.一V.一 一 2.75V). > 害 鸟 图1不同的栅和漏偏置条件下,阈值电压退化与应力时间的 关系 Fig.1Thresholdvoltageshiftasafunctionofstress timefordifferentgatebiasanddrainbias 在所施加的几种应力条件下,器件的阈值电压 都向负栅压的方向漂移(图1所示为器件阈值电压 漂移的绝对值),亚阈特性退化.应力前,亚阈斜率值 大约为70mV/decade,应力后当V.一一3.5V,VD 分别为0,一1.75,一3.5V时,亚阈斜率值增加到 76,78和8lmV/decade.这表明器件参数的退化是 由于应力间产生的界面陷阱和氧化层固定正电荷所 造成的.其中,在V.一V.一一3.5V的高温HCI和 NBTI应力条件下的阈值电压漂移都大于在V.一 一 3.5V,Vo一一1.75V的应力条件下的阈值电压漂 移,而这两种情况下的阈值电压漂移又大于V.一一 3.5V,VD一0的NBTI条件下的阈值电压漂移.图1 的数据表明当栅上所施加的电压保持不变时,漏端 所加的电压越高,器件的阈值电压退化越严重.这说 明在热载流子应力条件下,有大量的陷阱产生;同时 也说明V.一V.是阈值电压退化最严重的应力条 件,在这种应力条件下,HCI和NBTI都对阈值电 压的退化产生影响.而当V.一一3.5V,Vo一0时, 只有NBTI效应影响器件阈值电压的退化.结合V. 一 V.一一2.75V时的高温沟道热载流子应力条件 下的阈值电压漂移,可以充分地说明HCI和NBTI 的共同作用大于NBTI效应单独作用的效果,所以 在V.一V.一一3.5V的高温CHC应力条件下器件 特性的退化是这两种效应的综合体现. 为了更进一步研究HCI和NBTI引起pMOS— FET特性退化的本质,在负偏置应力结束后,对器 件施加反方向的正偏置应力进行后应力退火处理. 具体施加的退火条件为:栅电压V.一3.5V,退火时 间t一7000s.图2给出施加应力后,pM0SFET阈值 电压的恢复与退火时间之间的关系.从图中可以明 显地看出,在VG—VD一一3.5V和VG一一3.5V,VD 一0这两种应力条件下,pM0SFET的阈值电压恢 复值最大,?V一4mV.但是比较阈值电压恢复的 百分比可知,在单独的NBTI应力作用下,经过退火 后,pMOSFET的阈值电压恢复得最多,大约为 33;在高漏压应力条件下,阈值电压的恢复百分比 为17;在中等漏压应力条件下,阈值电压的恢复 百分比最小,大约为14. 图2不同的栅和漏偏置条件下,阈值电压的恢复与退火时间 的关系 Fig.2Thresholdvoltagerestoreasafunctionofan— nealingtimefordifferentgatebiasanddrainbias 第9期刘红侠等:深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合效应与物理机制 从上述实验结果可知,尽管在单独的NBTI应 力作用下,pMOSFET的阈值电压退化最小,但是在 同样的应力条件下退火后,NBTI应力作用后,器件 的阈值电压却得到最大限度的恢复.可见,尽管在高 温沟道热载流子应力条件下产生了更多的陷阱,但 是在NBTI应力条件下的阈值电压恢复得更多,表 明在NBTI条件下有更多的陷阱解陷.这充分说明 在高温沟道热载流子应力下产生的大多数陷阱是不 可退火的界面陷阱,在NBTI效应下产生的多为氧 化层固定正电荷,而氧化层固定正电荷可以被部分 退火消除. 3NBTI和HCI效应对器件退化影响 的分解 在高温沟道热载流子应力条件下,器件的退化 是由HCI和NBTI效应共同作用的.如何评价这两 种机制共同作用下的器件损伤和它们各自的作用? 本文提出了一种同时考虑这两种机制的模型和分解 NBTI和HCI的方法. 图3和图4给出了在高栅压条件下(Vo—V.一 一 3.5V),沟道长度为0.25/~m的pM0SFET中阈 值电压和跨导漂移与温度的依赖关系.当温度在 8O?附近时,器件的阈值电压漂移达到最小,当温度 大于8O?后阈值电压漂移不断增加.但是在跨导的 图3阈值电压漂移和温度之间的关系 Thresholdvoltageshiftasafunctionoftemper 漂移和温度的关系曲线中却没有出现最小值,而且 跨导漂移的绝对值随着温度的升高而减小,这和以 前参考文献所报道的跨导漂移随着温度的增加而减 小的关系是完全一致的.跨导漂移和温度的关系表 明这个器件参数主要敏感于在应力期间由热空穴注 入引起的施主型界面陷阱.而器件的阈值电压漂移 主要受到氧化层电荷的影响,它与温度的关系表明 不仅只有HCI起作用,还要归功于附加的NBTI效 应形成的正电荷的影响.当温度在80?以下时,阈 值电压的损伤是由HCI机制引起的;当温度处于 80?到150.C之间时,NBTI效应引起了阈值电压附 加增加的漂移. 图4跨导漂移和温度之间的关系 Fig.4Maximumtransconductanceshiftasafunction oftemperature 图5给出了在室温条件下(.一,3.5V),沟道 长度为0.25gm的pMOSFET中跨导漂移和衬底电 流与栅压的依赖关系.从图5中可以看出,室温下跨 导漂移的极值发生在与初始最大衬底电流同样的栅 电压下,最大衬底电流对应最严重的HCI条件,这 表明器件跨导的漂移是由HCI损伤引起的. 图5不同栅压下的跨导漂移和衬底电流 Fig.5Maximumtransconductanceshiftandsubstrate currentfordifferentgatevoltages 半导体学报第26卷 图6给出了在同样条件下,器件阈值电压的漂 移和衬底电流与栅压的依赖关系.从图6可以看出, 室温下器件阈值电压的漂移随着栅电压的增加而增 加,这是由于在高栅压应力条件下,栅的边界会有更 多的空穴从垂直电场中获得能量,处于热激活状态. 这些热激活的空穴能够打断氢终端的悬挂键,产生 氧化层陷阱和氧化层固定正电荷,使阈值电压的退 化增强.与应力下器件跨导的退化特性相比较而言, 在应力下阈值电压的退化与衬底电流之间却不遵循 任何关系,这表明对于器件阈值电压的退化和跨导 的退化是由完全不同的两种机制所控制的.HCI和 NBTI这两种机制对器件退化的共同作用使得预测 pM0SFET寿命的模型更加复杂. 图6不同栅压下的阈值电压漂移和衬底电流 Fig.6Thresholdvoltageshiftandsubstratecurrent fordifferentgatevoltages 对于W/L一5"m/O.25ttm,栅氧化层厚度丁0 一5nm的实验样品在同样温度下分别施加NBTI和 高栅压CHC应力,器件的阈值电压漂移见图7.从 图中可以看出,由NBTI应力引起的漂移与沟道长 度无关,并且与在相同条件高栅电压应力下长沟器 件的测量值相同.这表明高温条件下,在V.一V.应 力期间,退化中的NBTI成分与单独NBTI条件下 的相同.在这些偏置条件下,pMOSFET退化过程中 固定正电荷的形成是NBTI和CHC分别独立作用 结果的总和.通过将相同应力下长沟器件的漂移值 从短沟器件的漂移值中减去,可以把退化期间CHC 应力对固定正电荷的贡献分解出来. 4结论 研究了深亚微米pM0SFET的HCI和NBTI 图7在CHC和NBTI应力下,阈值电压漂移和沟道长度的 关系 Fig.7Thresholdvoltageshiftasafunctionofchannel lengthunderCHCandNBTIstress 效应.结果表明,低温下器件的参数漂移很明显由 HCI效应来控制,在高温CHC应力条件下,器件受 到HCI效应和NBTI效应的共同作用,二者的混合 效应表现为NBTI不断增强的HCI效应.器件的跨 导漂移主要是由热空穴注入引起的界面态所引起 的,而阈值电压则对氧化层中的净正电荷的形成很 敏感.由于NBTI效应对阈值电压的影响与沟道长 度无关,通过测量相同条件下长沟道器件在沟道热 载流子应力下阈值电压的漂移值就可以将短沟道器 件在同样应力条件下NBTI的漂移值分离出来,由 此可以分解出这两种效应各自对器件参数漂移的影 响. 参考文献 [1]YamamotoT,UwasawaK,MogamiT.Biastemperaturein— stabilityinsealedPpolysilicongatep-MOSFET'S.IEEE TransElectronDevices,1999,46:921 [2]BlatCE,NicollianEH,PoindexterEH.Mechanismofnega— five-bias—temperatureinstability.JApplPhys,1991,69(3); 1712 [3]ChaparalaP,ShibleyJ,LimP.Thresholdvoltagedriftin PMOSFETsduetoNBTIandHCI.IEEEInternationalInte— gratedReliabilityWorkshopFinalReport,2000:95 [4]FishbeinB,DoyleB,ConranC.Thermalinstabilityinp-chan— neltransistorswithreoxidizednitridedoxidegatedielectrics. 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ChineseJournalofSemiconductors,2005,26(1):84(inChi— nese)[韩晓亮,郝跃,刘红侠.深亚微米P栅pMOSFET中 NBTI效应及氮在其中的作用.半导体学报,2005,26(1):84] CoupleEffectsandPhysicalMechanismofHCIandNBTI inDeepSubmicronpMOSFET's LiuHongxiaandHaoYue (KeyLaboratoryofMinistryofEducationforWideBand— GapSemiconductorMaterialsandDevices. SchoolofMicroelectronics,XidianUniversity,Xi'an710071.China) Abstract:ThecoupleeffectsandphysicalmechanismofHCI(hot-carrierinjection)andNBTI (negativebiastemperatureinsta— bility)indeepsubmicronpMOSFET'sareinvestigated.AtroomtemperaturetheHCIcontributiontothedevicedamageiscon— firmed.However,athightemperaturesthedegradationiscontrolledbythecooperationofHCIandNBTImechanism.NBTI channelhot-carrierenhancementisreallyobserved.ThethresholdvoltageshiftdependsonchannellengthunderHCIstress, whereasthethresholdvoltageshiftisnotdependentonchannellengthforNBTI.AmethodtodecoupletheHCIandNBTIis presented. Keywords:deepsubmicronpMOSFETs:HCI;NBTI;interfacestates;positivefixedoxidecharges PACC:7340Q;7300;7220J ArticleID:0253—4177(2005)09—1813一O5 *ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.60206006),theKeyProjectofChineseMinistryofEducation(No. 104172),theNationalDefensePre-research(No.41308060305),andthePostdoctoralFoundationofChina(No. Q6312573) LiuHongxiafemale,wasbornin1968,PhD,professor,adviserofPhDcandidates.Shemainlyfocusesonreliabilityofdeepsubmicrondevices andcircuits.Email:hyliu@mail.xidian.edu.cn HaoYuemale,wasbornin1958,PhD,professor,adviserofPhDcandidates.HisresearchinterestsaremodelingandcharacterizationofdeeD submicrondevicesandcireuits. Recgived25January2005,revisedmanuscriptreceived15March2005@2005ChineseInstituteofElectronics