MOSFET开态热载流子效应可靠性

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1、第25卷4期　　　　　　　　　　　　半　导　体　杂　志　　　　　　　　　　　　2000年12月XMOSFET开态热载流子效应可靠性穆甫臣　薛静　许铭真　谭长华(北京大学微电子所,北京100871)摘要:综述了近年来MOSFET的热载流子效应和可靠性问题,总结了几种热载流子,并在此基础上详细讨论了热载流子注入(HCI)引起的退化机制。对器件寿命预测模型进行了总结和讨论。为MOSFET热载流子效应可靠性研究奠定了基础。关键词:可靠性;热载流子效应;金属氧化物半导体场效应晶体管;寿命预测模型中图分类号:TN386.1文献

2、标识码:A文章编号:1005-3077(2000)-04-51-09HCIReliabilityinMOSFET’sunderOn2StateMUPu2chenXUEJingXUMing2zhenTANChang2hua(InstituteofMicroelectronics,PekingUniversity,Beijing100871)Abstract:Theissuesofhot2carriereffectsinMOSFET’sarereviewed.Hot2carriersaresummarized.Onth

3、isbasis,themechanismsofHot2CarrierInduced(HCI)degradationunderon2statestressmodesarediscussed.Lifetimepredictionmodelsaresummarizedanddiscussed.Keywords:Reliability;Hot2CarrierEffects;MOSFET;LifetimePredictionModel引　　言　　随着VLSI集成度的日益提高,MOS器件尺寸不断缩小至亚微米乃至深亚微米,热载流

4、子效应已成为影响器件可靠性的重要因素之一。从第一次意识到热载流子可导致器件退化以来,有关MOSFET热载流子效应的研究已持续了近30年。在早期热载流子物理研究工作之后,就物理机制问题出现了许多争论,直至今天这个被人们普遍接受的物理图象。热载流子退化主要归因于电子俘获、空穴俘获和界面态产生。退化过程非常复杂并且依赖于[8]应力条件、器件结构、栅氧化层质量等因素。　　热载流子效应的研究目前主要集中在两个方面:HCI引起退化的物理机[1～21],[28～31][1],[4],[17],[22～27]制,退化和寿命预测模型

5、,大部分研究集中在n-MOSFET[1～16]上。随着器件尺寸的不断缩小,近几年来,越来越多的研究已集中在p-MOSFET[8],[13],[17～21]上。X收稿日期:2000-08-09·51·第25卷4期　　　　　　　　　　　　半　导　体　杂　志　　　　　　　　　　　　2000年12月　　本文首先概述了MOSFET热载流子可靠性的研究进展。第二部分总结了几种热载流子并详细讨论了热载流子退化机制。第三部分重点研究了退化和寿命预测模型。1HCI导致的MOSFET退化机制1.1MOSFET中的热载流子　　在使用条件

6、下,MOSFET会遇到四种类型的热载流子:沟道热载流子(CHC),衬底热载流子(SHC),漏端雪崩热载流子(DAHC),和二次产生热电子(SGHE)。CHC注入是由于沟道中“幸运”电子注入栅而形成,它将导致氧化层和Si-SiO2界面严重退化,特别是在低温下(77K)更是如此。这种退化机制下栅电流是可测量到的。SHC注入已被用来研究栅绝缘介质的质量,在这种情况下,热电子是热产生或辐射而产生的,或者由正偏p-n结注入到衬底高场区而形成的。另一方面,DAHC注入是由碰撞电离导致的电子和空穴栅电流,它将引起器件在室温下最严

7、重的退化。这是由于热空穴和热电子同时参与此过程。SGHE注入是由二次碰撞电离产生的少子或Bremsstrahlung辐射所致,对小尺寸MOS器件它将引起可靠性问题。1.2n-MOSFET退化机制　　笼统地讲,在直流HCI应力条件下n-MOSFET的主要退化机制为:界面陷阱产生和[7],[8]栅氧化层中电子俘获。为研究直流应力下的确切退化机制,应力条件分为下面三种类型:(1)很低栅压下(Vg

8、d)应力。下面将详细讨论与上边三种应力条件相对应的n-沟器件的退化机制。[4]　　在低栅压(Vg