超深亞微米CMOS器件GIDL電流及其可靠性研究.pdf

1、柵致漏極泄漏(GIDL)電流已經(jīng)成為影響小尺寸MOS器件可靠性、功耗等方面的主要原因之一，它同時也對EEPROM等存儲器件的擦寫操作有重要影響。當工藝進入超深亞微米時代后，由于器件尺寸日益縮小，GIDL電流引發(fā)的眾多可靠性問題變得愈加嚴重。本文主要對90nm CMOS工藝下MOSFET的GIDL電流的物理機制以及相關(guān)的可靠性問題開展了深入和系統(tǒng)的研究。 論文首先討論了電子隧穿半導(dǎo)體禁帶的物理機制以及GIDL隧穿電流與柵漏交疊區(qū)的

2、電場之間的關(guān)系，研究了柵氧化層厚度和LDD區(qū)摻雜這兩種因素對交疊區(qū)電場的影響。 論文采取對稱的方法研究了漏電壓VD和柵電壓VG對GIDL隧穿電流的不同影響。這一方法的思想是：固定VD掃描VG得到GIDL隧穿電流轉(zhuǎn)移曲線，固定VG掃描VD得到GIDL隧穿電流輸出曲線，并且轉(zhuǎn)移曲線中的VD和輸出曲線中的VG的電壓值相等，這樣就實現(xiàn)了VD和VG對稱的條件。實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移曲線上的GIDL隧穿電流ID與輸出曲線上對應(yīng)的GIDL隧穿電流ID之

3、差DIFF與漏柵電壓VDG的曲線呈駝峰狀。DIFF反映了VG和VD對GIDL隧穿電流影響的不同；這種差別是因為兩種情形下的橫向電場不一樣，從而使得交疊區(qū)的硅中水平方向上空穴的隧穿產(chǎn)生差別。在半對數(shù)坐標下，DIFF峰值DIFFMAX與VDG成線性關(guān)系。論文研究了溫度與DIFF的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，DIFF曲線向上漂移。論文還研究了熱載流子應(yīng)力后DIFF的變化情況，發(fā)現(xiàn)空穴陷落氧化層中，DIFF曲線向下漂移；電子陷落氧化層中，DIFF

4、曲線向上漂移。在雙對數(shù)坐標下，D1FEMAx的變化量與應(yīng)力時間成線性關(guān)系。 論文提出采用GIDL隧穿電流來表征LDD nMOSFET交疊區(qū)的應(yīng)力損傷的方法。實驗采用柵厚1.4nm柵長90nm的LDD nMOSFET，發(fā)現(xiàn)低柵壓應(yīng)力使得閾值電壓變大，這與傳統(tǒng)器件中低柵壓應(yīng)力的實驗結(jié)果不符。本文用GIDL隧穿電流探測法證實了低柵壓應(yīng)力仍然是空穴注入應(yīng)力。此外，本文還用GIDL隧穿電流探測法，發(fā)現(xiàn)了超薄柵和超短溝器件中，最大襯底電流應(yīng)

5、力是一種空穴注入應(yīng)力。 論文研究了LDD nMOSFET中的GIDL應(yīng)力特性，發(fā)現(xiàn)在1.4nm超薄柵LDDnMOSFET器件中，GIDL應(yīng)力使得熱空穴注入LDD區(qū)界面處并產(chǎn)生界面態(tài)，從而導(dǎo)致器件的閾值電壓變大。在交替應(yīng)力過程中，GIDL應(yīng)力產(chǎn)生的氧化層陷落空穴使得載流子遷移率增大從而可以使閾值電壓的退化得到恢復(fù)，但恢復(fù)的效果取決于載流子遷移率的增大在器件閾值電壓退化中所起的作用。論文還比較了1.4nm超薄柵和超短溝LDD nMO

6、SFET中的GIDL應(yīng)力(GIDLHHI)與低柵壓熱空穴注入(LGVHHI)、襯底熱空穴注入(SHHI)的特性差異，并根據(jù)它們所造成的損傷區(qū)域以及對熱電子損傷后器件退化的恢復(fù)程度，將這三種HHl分成兩類：注入過程中產(chǎn)生的空穴位于LDD區(qū)界面處(LGVHHI和GIDLHHI)和注入過程中產(chǎn)生的空穴位于溝道上界面處(SHHI)。論文研究了LDD nMOSFET和LDD pMOSFET的GIDL產(chǎn)生電流特性，提出了產(chǎn)生率最大化因子γ的概念，闡

7、述了GIDL產(chǎn)生電流的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)4nm柵厚器件在VG=VD高柵壓應(yīng)力下(nMOSFET中為電子注入，pMOSFET中為空穴注入)，產(chǎn)生電流的峰值隨著應(yīng)力時間的增大而變小。nMOSFET中，產(chǎn)生電流峰值隨應(yīng)力時間減小的量和氧化層負陷阱電荷隨應(yīng)力時間增大的量的變化趨勢一致，這是由于應(yīng)力中氧化層陷阱電子占主導(dǎo)作用，從而減小了漏電壓的有效作用，使得產(chǎn)生率最大值變小。合理忽略界面態(tài)的情形下，在這種新理論的基礎(chǔ)上，得出了影響漏電壓的定量等效氧化