深亚微米薄层soimosfet’s热载流子效应分析

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1、 第19卷第4期 半 导 体 学 报 Vol . 19,No. 4 1998年4月 CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORS Apr. , 1998 曹建民 男, 1964年出生,博士生,从事SO I?MOS器件模拟、 电路研制 黄 敞 男, 1927年出生,研究员,博士生导师,从事SO I?MOS器件模拟、 电路研制 1997201215收到, 1997207213定稿深亚微米薄层SO I?MOSFETs 热载流子效应分析曹建民 吴传良 沈文正 黄 敞(西安微电子技术研究所 临潼 710600)摘要 本文从二维模拟热载流子注入电流入手,讨论了不同硅层厚度、

2、栅氧厚度和掺杂浓度对薄层深亚微米SO I?MOSFETs热载流子效应的影响.模拟结果表明,对于不同的硅层厚度,沟道前表面漏结处的载流子浓度对热载流子效应起着不同的作用,有时甚至是决定性的作用.沟道前表面漏结处的载流子浓度和沟道最大电场一样,是影响薄层SO I?MOSFETs热载流子效应的重要因素,这也就解释了以往文献中,随着硅层减薄,沟道电场增大,热载流子效应反而减小的矛盾.模拟也显示了在一定的硅层厚度变化范围内(60100nm),器件热载流子效应达到最小值,而且在这一硅层范围内,热载流子效应对硅层厚度、 栅氧厚度以及掺杂浓度的变化不敏感,这对高性能深亚微米薄层SO I?MOSFETs设计具有

3、重要的指导意义.EEACC:0170N , 2560R1 引言随着超大规模集成电路的不断发展,对微电子器件和电路的性能提出了越来越高的要求.为了获得高速度、 低功耗、 高可靠性的大规模集成电路,以满足卫星、 通讯、 高速信号处理等系统的迫切需要,集成电路必须朝着亚微米、 深亚微米方向发展.当栅长减小到亚微米、 深亚微米量级时,器件沟道内的电场明显增强,产生了一系列材料、 器件物理及设计和工艺方面的新问题.不断采用新型器件结构和材料,以解决尺寸缩小以后带来的新问题.对这些新 型器件、 特别是亚微米、 深亚微米新器件的器件物理及工作机理的模拟分析和预言就显出其重要意义.薄层全耗尽SO I?MOSF

4、ETs具有高的饱和电流,抑制了kink效应,以及优秀的亚阈值特性等优点,因此它特别适合应用于小尺寸器件或电路.然而当涉及到器件的稳定性,或器件热载流子效应的问题,以前的文献报道和工作出现了许多相反的结论15.主要的矛盾是随着硅层的减薄,热载流子效应是增大1, 2还是减小35?由于SO I器件采用了绝缘衬底代替了硅器件的硅衬底,使得薄膜SO I器件中不存在衬底电流,而衬底电流是体硅器件用于判断热载流子效应最好的一个监测量,薄膜SO I器件的热载流子效应问题因此而变得模糊不清.用二维模拟的方法研究薄膜SO I器件热载流子效应不但可以认清热载流子效应的发生机理,而且还能探讨出一种研究薄层SO I器件

5、热载流子效应的方法,从而指导其在高集成度、 高可靠性集成电路方面的广泛应用.2 模型和模拟方法在SO I器件中,由于存在着浮空衬底,不能很容易测出衬底电流,长期形成的用于判断体硅器件热载流子效应的监测方法(监测衬底电流)不再适用,这也就是研究SO I器件热载流子效应出现矛盾的根本原因.栅电流也曾被认为是判断SO I器件热载流子效应的一个检测量,但是栅电流较小(pA数量级)不易测量,而且还受到栅氧化层内电场和杂质 “俘获” 的影响,尤其是在薄层SO I器件中存在着背栅的耦合作用,使得热载流子的注入较为复杂,栅电流不能完全表现热载流子的注入情况.热载流子注入电流是描述热载流子向栅氧化层注入而形成的

6、电流,它直接和器件的退化现象有关,因此准确地模拟注入电流是研究薄层SO I器件热载流子效应所必须的一种方法.本文从模拟注入电流入手,用二维计算的方法模拟分析深亚微米薄层SO I器件的热载流子效应.以沟道方向为x方向,垂直于沟道方向为y方向,则n沟SO I?MOSFETs热载流子注入电流可表示为6:Ize=2 3q2W m3vdsatL0dxTSi0E2 x(x,y) be(x)exp (-be(x)?(Ex(x,y)exp (-y? )n(x,y)dy(1)其中 Ex为平行于沟道的电埸强度;be是氧化层势垒高度;是硅中载流子的平均自由程(= 91nm),n是沟道内的电子浓度分布,其它参数具有它

7、们通常的意义. 公式(1)是由几个独立的概率事件组成:Exexp(-be?Ex)?(4be)是载流子变热、 并散 射转向栅氧化层的概率; exp(-y? )是热载流子在没有碰撞的情况下,运动至硅? 二氧化硅 表面的概率;而8qEx?(3m3Vdsat)是载流子平均散射的频率.由公式(1)可以看出以下两点:(1)我们知道,沟道电场Ex从源到漏的变化几乎是指数增长的,最大值在漏结附近;在公式(1)中,Ex又是在指数项中.因此公式(1)的积分是一个尖锐的峰值函数,峰值在漏结附近,这也就说明热载流子注入主要是发生在漏结附近一个较小的区域内.体硅器件和SO I器件在结构上的区别主要是有无绝缘衬底,前栅界

8、面的结构是一样的,因此无论是体硅器件,还是SO I器件这个模型都适用.(2)公式(1)的积分和沟道电子浓度n有关,在n小的地方,散射弱,热载流子产生也就少.在薄层全耗尽SO I器件中,碰撞电离产生的空穴参与了器件的导电,电流密度方程中应该还包括漂移空穴的一项,从而使器件夹断区电子浓度n相对减小;另外背栅耗尽区的耦合,使前栅界面电子浓度也降低,热载流子注入也就减小了.由此可以得出,在薄层SO I器件、 特别是深亚微米全耗尽SO I?MOSFET中,沟道前表面漏结处的电子浓度对热载流子效应的影响较大.1824期 曹建民等: 深亚微米薄层SO I?MOSFETs热载流子效应分析 热载流子注入电流的模

9、拟过程分为两步:首先利用稳态模拟软件LADES2I V7计算电场强度、 电流密度和载流子浓度的二维分布等,然后把得到的结果作为输入数据计算热载流 子电流.采用这种 “后处理” 是因为热载流子电流一般远远小于器件的漏电流,因而热载流子 向氧化层的注入对器件载流子分布影响不大. LADES2I V是一个专门用于深亚微米薄层SO I器件的模拟软件,它全面考虑了载流子的产生2复合效应和速度饱和效应等,较准确地 反应了薄层深亚微米SO I?MOSFETs工作机理.孟彪7利用此软件详细地分析了薄层深 亚微米SO I?MOSFETs稳态情况,提出了一套切实可行的0118m器件参数(如表1所 示).本文以此为

10、基础,说明薄层深亚微米SO I?MOSFETs热载流子效应的特点,无疑讨论 的结果具有普遍性.表1 模拟使用的器件结构参数SO I沟道长度L? m氧化层厚Tox?nm沟道掺杂NA?cm- 3硅层厚度TSi? m结深xj? m沟道宽度W? m器件10. 1810510160. 040. 04103 模拟结果图1为器件1(TSi= 0104m)热载流子随栅压的变化曲线以及不同硅层厚度时热载流 子电流比较.可以看出,热载流子注入电流的变化亦呈铃型曲线:当栅压大于漏压时,由于器 件处于线性区,沟道连通,漏结处的电场较小,因而热载流子注入电流也较小;当栅压小于漏图1 器件1(TSi= 0104m)热载流

11、子注入电流随栅压的变化以及不同硅层厚度时热载流子注入电流比较Vd= 210V.压以后,器件工作于饱和区,沟道夹断,漏结处的电场 增强,热载流子注入电流也增大,在一定的栅压时,热 载子注入电流达到最大值;栅压再减小,器件进入截止区,沟道内的载流子数急剧减小使得热载流子电流也 急剧减小.这些变化和长沟器件的注入电流的变化相 同.值得注意的是,在图1中,TSi= 012m的器件是部 分耗尽器件;TSi= 0104m的器件是全耗尽器件.部分 耗尽器件注入电流的最大值,和体硅器件类似,发生在Vg= (1?2)Vd处;而全耗尽器件注入电流的最大值则发生在靠近Vd的附近.这提醒我们深亚微米全耗尽SO I器件

12、热载流子效应(最大应力点)和硅器件不同, 在作加速寿命的应力实验时,应谨慎选取最大应力点, 不然会高估全耗尽SO I器件的寿命. 从图1的整体来看,部分耗尽器件比全耗尽器件的热载流子注入电流大,也就是说全耗尽器件抑制了 热载流子效应,这和实验5以及通常的认识符合的很 好.图2表示了器件1(Tox1= 0101m)在不同栅氧厚度时热载流子电流比较,图3是器件1 (NA= 51016)在不同掺杂浓度时热载流子注入电流比较.从这两个图可以看出一个新奇的结论:热载流子注入电流都没有多少变化.我们的模拟还发现,只要深亚微米器件处于全耗 尽状态,那么热载流子注入电流对栅氧厚度和掺杂浓度的变化就不敏感.这对

13、深亚微米薄层282 半 导 体 学 报 19卷.全耗尽SO I器件的设计和制造非常有利,减小了对栅氧厚度和掺杂浓度的限制.图2 不同栅氧厚度时热载流子注入电流比较Vd= 2. 0V.图3 不同掺杂浓度时热载流子注入电流比较Vd= 2. 0V.图4 器件1沟道前表面横向电场随硅层厚度变化情况Vd= 2. 0V,Vg= 1. 0V.4 讨论热载流子效应通常被认为是器件沟道强电场的表征,当电场越强时,热载流子电流越 大.然而理论计算8和模拟4都指出,随着硅层厚度的减薄,沟道最大电场将增强,因而也将 增大热载流子效应,这一结论和实验结果3, 5相反;当栅氧厚度减薄和掺杂浓度增大的时候,器件沟道漏结处的

14、电场将增强,因而也应该引起热载流子效应的增大,然而我们的模拟(图2和图3)却显示薄层全耗尽SO I器件的热载流子注入电流对栅氧厚度和掺杂浓度不敏感. 看来热载流子电流和器件的稳定性并不是唯一依赖于沟道电场强度,应该还有其它因素影 响,或者在一定范围内决定着热载流子电流的大小.通常,最大沟道电场可表示为9:Em=(Vd-Vdsat)?(0. 22T1?3 ox1x1?2 j)(2)其中 Vdsat为饱和漏电压;Tox1栅氧化层厚度;xj为结深,在SO I器件中,一般硅层厚度和结深相等.由公式(2)可以得出,随着硅层厚度减薄,Em增强,热载流子效应也应当增大.图4为我们模拟得到的器件1的电场随硅层

15、厚度变化情况,规律和公式(3)相符,和文献10也相符.看来薄层全耗尽SO I器件随着硅层的减薄,沟道最大电场是增大 了.但是从图1可以看出,随着硅层减薄热载流子电流减小的结论.这就出现了器件内最大电场和热载流子效应不相符的现象,沟道电场增强了,热载流子电流却减弱了.进一步,我们仔细模拟计算了热载流子电流随硅层变化的情况,如图5所示.从图中可以看出,热3824期 曹建民等: 深亚微米薄层SO I?MOSFETs热载流子效应分析 载流子变化可分为三个阶段:?、 当011m TSi 012m时,随着硅层减薄,热载流子电流 减小;、 当0106mTSi 011m时,硅层厚度减薄对热载流子电流影响不大;

16、、 当TSi0106m以后,硅层的减薄又使热载流子电流增大. 图6表示了不同硅层厚度时,沟道表面电子浓度的变化情况.从图中可以看出,随着硅 层的减薄,沟道夹断区电子浓度变化很大(在第? 区变化近4个数量级).电子浓度的降底,使得碰撞散射的机会减小,从而使热载流子效应减弱(虽然电场在增大).这说明在第? 区, 沟道夹断区的电子浓度是热载流子效应的决定因素,而不是电场.这也就解释了有时电场增 大,热载流子电流反而减小的矛盾.图5 注入电流随硅层厚度变化情况根据其变化可分为三个阶段.图6 器件1不同硅层厚度时前表面电子浓度变化情况W ann10等研究了薄层SO I器件和体硅MOS器件的热载流子效应,通过比较指出在一 定的范围内(01050111m),薄层SO I器件的热载流子效应对硅层厚度不敏感,我们的模 拟也显