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1、可靠性：PMOS薄栅氧PMOS器件的HCI效应和NBTI效应半导体制造2006年 10 月刊作者：Joyce Zhou、Jeff Wu、Jack Chen、Wei-Ting Kary Chien,中芯国际随着CMOS晶体管尺寸的不断微缩，人们越来越关注PMOS HCI（热载流子注入）可靠性问题。本文对薄栅氧PM OS晶体管的可靠性进行了准确的表征，并且深入研究了其衰减机制。此外，我们还对引起PMOS器件衰减的N BTI （负偏压温度不稳定性）效应进行了解释说明。对PMOS而言，最坏的衰减条件与Vg大小非常相关。为此，我们提出一种方法以证明PMOS衰减是在较大Vg 条件下由HCI效应导致的漏极缺
2、陷引起的，它与NBTI效应完全不同。此外，我们还分别解释了 HCI和NBTI效 应的机理。最后，我们研究了 HCI和NBTI的综合效应。在HCI和NBTI的综合作用下，超薄栅氧PMOS器件参数的衰减程 度比单独的HCI或NBTI效应要严重得多。为了找到薄栅氧PMOS器件HCI效应的最坏条件，实验中我们对1.2V和1.5V短沟道PMOS器件进行了测试。 我们提出了一种在较高栅电场下区分HCI效应和NBTI效应的方法。此外，我们还对这两种效应（即HCI和NBTI） 导致的器件参数偏移之间的相关性进行了研究，并且探讨了 HCI-NBTI综合效应对薄栅氧PMOS器件可靠性的严 重影响。下一节我们将介绍
3、HCI的最坏条件。为了检测HCI效应引起的漏极损伤问题，我们在下一节中引入了“偏 移”参数（Offset）。然后，我们对非均匀NBTI效应进行了描述。薄栅氧 PMOS 器件 HCI 效应的最坏条件正如JEDEC-60提到的那样，在施加大小为Vg的栅偏压条件下，p沟道器件的参数变化程度最大，此时栅电流也 处于最大值（Ig）1。早期，大多数研究集中于HCI偏压条件下PMOS的电子陷阱效应2。氧化层中很少会出现空 穴陷阱，原因有几个，例如空穴注入的界面势垒较高、热空穴具有比热电子小得多的散射平均自由程等。然而， 短沟道器件（沟道长度小于0.25微米）的情况就不一样了。随着器件尺寸的微缩，最大栅电流下
4、的栅极偏压已经不 能检测到真正的HCI衰减现象。当器件的沟道长度小于0.15微米时，峰值栅电流的检测就变得更加困难了。图112VPMOS內止勻血仍血I3umO Pdr-2 4V口 Vt-2.6VVt-2 $V*d=-.4V-Vd=-2.GVVdz-2. SVL.OOE-O5-E.OO-dA.O0E-O&4.0冲-Q6口 QQF-MM).丸 oeiKw-5 Vg(V) d9 IXI. MM*图 4&5LE-A3TE41 . AIMlK itrtt iA9 k3!-fr-VM3V Vg-12Y 占艸=I2V gK山軸IE4I也GMP(G&C-o- vr-jjw-a-v w 忙 i 方.VjtJ4V
5、 Vj盗彌图 6&7图8AozsZ5PMOS type(V)OldsaBAVth B图1为不同漏极电压（Vd）下lsub（虚线）和lg（放大了 1,000倍）随栅极偏压的变化曲线。如图所示,Vgul/3Vd时，I sub达到最大值；Vg增大时Ig跟着逐渐减小，而且没有峰值出现。最重要的是，Vg较小时Ig为正值，说明Vg 较小时空穴的贡献比较多，这与长沟道PMOS器件完全不同。对薄栅氧PMOS晶体管而言，更关键的是如何找到真正由于HCI效应导致器件衰减的最坏条件。1.5V和1.2V P MOS器件在不同Vg条件下的Idsat衰减曲线如图2和3所示：图2中，我们选择了四种Vg : Vg等于0.55
6、V和1.1V时分别具有最大Ig和Isub； Vg等于1.5V时是该器件的工作电压；Vg等于3.3V，此时Vg等于Vd。类似地，1.2V PMOS晶体管的测试条件为：与最大栅电流Ig相对应的Vg为0.87V；与最大Isub相对应的Vg为1.2V；以及Vg等于Vd(如图3所示)。如图2和图3所示,薄栅氧PMOS晶体管的最坏条件为Vg=Vd。该条件可以为空穴注入提供最有利的纵向电场3。 对PMOS而言，FN偏压会导致与热载流子偏压同等数量级的Idsat衰减，Vg本身就足以导致严重的Idsat衰减 现象4。由于Vg和高温会大大增强NBTI效应，因此我们需要对HCI-NBTI综合效应进行考虑，并且尽量区
7、分两者的作用。检测HCI效应导致的漏极损伤利用正向和反向模式对Idsat衰减现象进行监测是十分必要的。通常，施加电压之前Idsat在正向模式和反向模式 下应该大致相同，这也是判断器件对称性的常用标准。施加HCI偏压之后，由于在漏极区域附近产生了很多缺陷 并逐步积累，很多电子被这些缺陷所捕捉，从而导致电流的减小，因此反向模式下的Idsat比正向模式小。NBTI 则不同，该效应导致的缺陷可能是沿着沟道和附近界面对称分布的。因此，当我们从Id特征中计算参数时要特别 小心对 HCI 结果的解释。我们对两种模式下的参数“偏移”量进行了如下定义：偏移量(Offset) = Idsat(%)_rIdsat(
8、%)_f其中，Idsat(%)_r和Idsat(%)分别是反向和正向模式下Idsat的衰减百分比。Offset可以帮助我们判断HCI诱导漏极损伤情况的严重程度，并且有效地与Vg较高条件下栅偏压不稳定所导致 的损伤相区分。图4所示为不同Vg下1.2V PMOS的Offset大小。如图所示，Vg较高时，Offset衰减程度随着 时间的推移而增大，这主要是因为HCI效应造成了漏极损伤。然而，这一现象并未在图5所示的NMOS器件中出 现。总之，对薄栅氧PMOS而言，Vg较高时会增强HCI效应，相关性也比NMOS器件强得多。此外，我们还可以推论，大部分p沟道电子陷在接近漏极的氧化层中，因为这里的沟道电场
9、最强。这些电子将正 电荷吸向氧化层界面附近，对于p沟道器件而言相当于缩短了有效沟道长度。在反向模式下衰减程度表现得更为 明显。这主要是由于在漏极施加偏压后导致的空间变化区域“屏蔽效应”引起的5。为了解释薄栅氧PMOS器件的衰减机制，我们需要综合考虑陷在氧化层和界面层的电荷效应。其中，最关键的是 能够监测到这两种效应对器件衰减的贡献程度。为此，我们提出用电荷泵(CP)的方法对沟道和漏极区域的界面态密度进行测量。我们发现，CP法可以确定界面态 密度和氧化层电荷对PMOS衰减的贡献程度，两者分别由HCI和NBTI效应所导致。PMOS HCI和NBTI效应之间的相关性以及非均匀NBTI效应在0.35微
10、米及更大工艺节点，我们很少考虑PMOS HCI效应导致的器件衰减现象。主要原因有两点，一是与N 型沟道相比较（其中HCI效应导致的沟道损伤主要集中在界面附近），P型沟道的热载流子入口较深；二是p型 沟道中由于空穴碰撞导致的离子化速度比电子低得多（因此PMOS的沟道电场加速效应比NMOS弱）。然而， 随着器件尺寸微缩到短沟道器件，热电子将引发穿通效应（HEIP）；即便是交流脉冲或栅电压所导致的漏极电流都 会导致器件的严重衰减。对超薄栅氧化层一特别是厚度小于40入时,PMOS HCI寿命呈指数级增长（如图6所示）。 这主要是因为PMOS中空穴注入取代了电子注入。另外，在较高栅偏压下，界面陷阱对HC
11、I的影响比氧化层电荷 更为显著。此时可以忽略HCI导致的衰减，NBTI则成为影响PMOS可靠性的关键所在。图7为不同工艺节点下的NBTI寿命。随着工艺的不断进步，NBTI寿命逐渐缩短。受界面陷阱所导致的损伤现象 影响， Vt 寿命比 Idsat 短。栅氧化层电场会大大增强NBTI效应。随着栅氧化层电场强度的增大，垂直电场逐渐增强。受到垂直电场的影响， 氢加速后被陷在栅氧化层中，从而形成固定的氧化层正电荷。这会导致Vt出现更加明显的偏移和使NBTI效应变 得更加严重。根据氢释放模型7，界面陷阱和氧化层缺陷是相互关联的，其相关性取决于Si/SiO2界面的氢粒子 释放程度。NBTI 寿命预测模型如下
12、所示：TTF* Exp（-3Vg）*Exp（EaKT）其中，P是GOX电压加速因子，Ea是温度加速因子。图8为不同操作电压（1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V和3.3V） 下PMOS器件的p值。Idsat和Vt所对应的p值非常接近。图8还显示，对超薄栅氧PMOS器件而言，Vg越大 NBTI 效应越严重。另一方面，随着NBTI温度的升高电子捕捉程度会急剧降低。这会导致界面态密度的增大和使Vt成为NBTI效应 更为关键的参数：Vt会偏移到更大的绝对值而且会变得更不稳定。这与p沟道HCI效应恰恰相反，HCI效应会导 致 Vt 向较小绝对值偏移。非均匀NBTI效应是综合了 HCI效应和NBT
13、I效应的一种特殊模式；对薄栅氧p沟道器件而言，它导致比NBTI 效应更加严重的衰减。据报道，非均匀NBTI效应并不是HCI效应和NBTI效应的简单叠加，它具有更为复杂的机制，有待进一步深入研究。图9为不同栅电压和漏极电压下2.5V PMOS器件的Idsat衰减曲线。我们发现，在105C高温下，HCI效应导致 的衰减程度比室温小。但是，Vd=Vg时会在105C高温下出现最严重的衰减。这是由于非均匀NBTI效应引起的。 在实际的器件操作中，由于Vg较高时会同时增强NBTI效应和HCI效应，因此非均匀NBTI效应也取决于Vg。图 9&104tn-艸，畑扣，(fcC -o-v l w,iu&:4 th
14、 itzJjime fsec如图10所示，NBTI效应或HCI-NBTI综合效应导致的损伤在沟道中的分布相当均匀，不会集中在漏极附近。PMOS的性能衰减对温度十分敏感，Vd=Vg时尤其如此。而且，温度较高时薄栅氧PMOS的恢复速度比厚栅氧P MOS慢得多8。NBTI效应可以生成固定的氧化层电荷Qf并且增强漏极边缘的电场强度。这会导致更加严重的H CI衰减。其中，Qf由HCI效应和NBTI效应共同导致。Qf会增强漏极附近区域的电场强度，并且导致严重的HC I衰减。因此，与单独的NBTI效应相比较，HCI和NBTI的综合效应会导致更加严重的衰减。结论在超薄栅氧器件中，PMOS HCI效应的最坏条件
15、从以前的最大Ig变为Vg=Vd。本文对导致这种变化的机理和方 法进行了描述，并且对较高Vg下的HCI效应和NBTI效应进行了区分。我们发现，Vg=Vd时会导致严重的HCI 诱导漏极损伤，损失程度会受到垂直栅电场的增强。另一方面，当器件尺寸逐渐微缩到亚微米时，我们可以忽略 单纯由于HCI效应导致的衰减，而NBTI效应则成为衡量PMOS可靠性的重要因素。最后，非均匀NBTI效应并不是HCI和NBTI效应的简单叠加，它具有更加复杂的机制。与单纯的NBTI效应相比 较，它将导致p沟道器件出现更加严重的性能衰减。参考文献1 E/A/JESD60 “A Procedure for Measuring P-Channel MOSFET Hot-Carrier-Induced Degradation at Maxi mum
