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【6h】

基于电荷泵技术的Si-SiO2界面电荷分布特性研究

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摘要

随着CMOS工艺的发展，栅介质层的厚度不断减薄，导致栅的泄漏电流不断增大，这使得传统测量界面态的C-V法受限，不适用于研究短沟道器件的热载流子注入效应。本文主要目的是基于电荷泵技术研究深亚微米器件的热载流子效应对Si-SiO2界面电荷分布特性的影响。采用0.35μm和0.18μm CMOS工艺制造的器件，深入探讨器件尺寸缩小对器件热载流子效应的影响。
　　 本文深入研究了电荷泵技术在CMOS器件可靠性测量中的作用。结果表明脉冲频率和幅值、占空比和源漏反偏压大小都会影响到电荷泵技术的测量可靠性，为了得到正确的测量结果，需要综合选择测量频率、源漏反偏压、幅值和占空比。引入电子和空穴发射理论对实验中出现背离普遍的电荷泵曲线做深入分析。提出对超薄深亚微米器件，由于栅的泄漏电非常大，需要采用高低频电荷泵测量方法，扣除漏电流的影响。经实验得到，脉冲高低频率分别为8MHz和500kHz最优。这些结论为更加准确地分析MOS器件的CP测试结果提供了指导意义，也为研究CMOS器件的HCI效应和NBTI效应提供了参考方法。
　　 在最坏应力条件下，0.18μm CMOS工艺器件出现新的退化现象。研究发现传统Vd=0.1V条件下线性区漏极电流退化为最严重情况已经不适用于采用先进工艺制造的器件。研究发现，漏极电流的退化为漏极电压的函数，Vd的增大导致禁带中界面态和沟道反型层电荷密度的减少，在这两种机制相互竞争下，漏极电流退化最大值对应的漏极电压大于0.1V。研究表明，在最大衬底电流条件下，界面陷阱的产生是导致器件电参数退化的主要原因，最大线性跨导的退化为最快。对于0.18μm NMOSFET，界面态的产生在2000s之后有趋于饱和趋势。随着沟道宽度的缩小或者沟道长度的缩小，界面态的产生增大，导致器件退化更为严重。器件各电参数的退化与时间和界面态的产生都呈现幂指数关系。随着器件尺寸的缩小，热载流子注入效应造成的损伤区占总沟道长度的比率增大，这种趋势导致最大线性区跨导随着器件尺寸的缩小退化越来越严重。
　　 基于二维模拟软件模拟深亚微米NMOSFETs热载流子效应，结果表明，随着器件尺寸的缩小，有更多热载流子注入到氧化层中被陷阱俘获或与Si-O、Si-H键作用产生界面态，也就是热载流子效应引起器件退化将会越来越严重。此外，用模拟的方法验证了，在中等栅压条件下，深亚微米NMOS器件性能退化主要是由于界面态产生导致，指出了电子迁移率衰退和阈值电压增大是导致深亚微米NMOSFETs电学性能退化的根本原因。

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