納米CMOS器件的新測(cè)量方法并用于可靠性的研究.pdf

1、CMOS器件尺寸越來(lái)越小,柵介質(zhì)厚度持續(xù)減小,負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)成為制約器件可靠性及壽命的最主要因素之一。然而,NBTI機(jī)理一直處于爭(zhēng)論之中。其原因一方面源于對(duì)于NBTI現(xiàn)象的解釋各不一致,另一方面主要受限于NBTI表征方法的不足,不能得到NBTI退化的全部信息。因此,不能正確地建立NBTI機(jī)理。
　　本論文主要系統(tǒng)地對(duì)比和分析了納米CMOS器件表征方法,并發(fā)展了新的表征方法,并將這些表征方法應(yīng)用于NBTI研究。在閾值

2、電壓(VTH)表征方面,論文詳細(xì)分析了直流(慢的)Id-Vg測(cè)量閾值電壓漂移(△VTH)存在恢復(fù)的原因,并針對(duì)Kerber等人的脈沖測(cè)量方法的不足,建立了快速脈沖Id-Vg測(cè)量(FPM),其測(cè)量時(shí)間tM達(dá)1μs,極大抑制了測(cè)量過(guò)程中的恢復(fù)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間tM越小,△VTH越大,其結(jié)果表明NBTI測(cè)量過(guò)程中發(fā)展快速測(cè)量的重要性。在界面陷阱(NIT)表征方面,論文闡述了傳統(tǒng)電荷泵(CCP)和直流電流電壓(DCIV)方法原理、測(cè)量設(shè)置,

3、還給出了快速DCIV測(cè)量。不同測(cè)量點(diǎn)數(shù)的CCP和DCIV方法測(cè)量得到的界面陷阱的產(chǎn)生(△NIT)是不一樣的,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CCP和DCIV方法本身亦存在恢復(fù)效應(yīng)。為了避免測(cè)量過(guò)程中的△NIT的恢復(fù),我們發(fā)展了一種新穎的實(shí)時(shí)界面陷阱(OFIT)測(cè)量方法。
　　論文就OFIT測(cè)量原理、儀器設(shè)置和電路實(shí)現(xiàn)給出了細(xì)致的分析,并運(yùn)用OFIT方法對(duì)應(yīng)力引起的△NIT進(jìn)行了表征。我們得到的主要結(jié)果有:(1)OFIT方法測(cè)量得到的△NIT比CCP

4、方法得到的大的多。當(dāng)溫度小于100℃時(shí),△NIT的時(shí)間冪指數(shù)n呈線性增加;當(dāng)溫度大于100℃時(shí),n趨于飽和值0.18。OFIT實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明△NIT服從色散的H2分子擴(kuò)散的R-D模型,這與CCP方法得到的Arrhenius關(guān)系不同。(2)在測(cè)量誤差范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示時(shí)間冪指數(shù)n與電場(chǎng)強(qiáng)度、柵介質(zhì)厚度無(wú)關(guān)。(3)論文將CCP、DCIV和OFIT測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示CCP方法由于存在嚴(yán)重恢復(fù)效應(yīng),相同NBTI應(yīng)力條件下測(cè)得的△NIT

5、最小,DCIV方法測(cè)得的△NIT次之,OFIT方法測(cè)得的△NIT最大。溫度100℃時(shí),三種方法得到的△NIT的時(shí)間冪指數(shù)n分別為0.31、0.28和0.18,n值越小表示恢復(fù)效應(yīng)越小。(4)OFIT和慢的Id-Vg測(cè)量結(jié)果對(duì)比表明后者不僅存在氧化層電荷俘獲△NOX的恢復(fù)而且存在界面陷阱的產(chǎn)生△NIT的恢復(fù)。
　　論文還采用OFIT和FPM測(cè)量方法研究了等離子體氮化(PNO)和熱氮化柵介質(zhì)(TNO)pMOSFETs的NBTI特性,得

6、到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要有:(1)TNO和PNO器件具有相同的△NIT的時(shí)間冪指數(shù)n,即當(dāng)溫度小于100℃時(shí),n隨溫度線性增加;當(dāng)溫度大于100℃,n達(dá)到飽和值0.18。界面陷阱產(chǎn)生的機(jī)理與氮濃度在TNO和PNO器件的柵介質(zhì)中的不同分布無(wú)關(guān),激活能EA=0.17eV。(2)對(duì)于TNO器件,采用OFIT測(cè)量得到的界面陷阱的產(chǎn)生和用FPM測(cè)量得到的閾值電壓漂移的恢復(fù)均比PNO器件約大10％。(3)結(jié)合OFIT和FPM測(cè)量方法,可以區(qū)分界面陷阱產(chǎn)生和

7、氧化層電荷俘獲引起的閾值電壓漂移△VTHIT和△VTHOX。對(duì)于PNO器件,NBTI退化主要來(lái)自界面陷阱的產(chǎn)生;對(duì)于TNO器件而言,氧化層電荷俘獲對(duì)NBTI退化起主要作用。(4)我們也對(duì)比了TNO和PNO器件的快速瞬態(tài)閾值電壓漂移與應(yīng)力電壓的關(guān)系,其結(jié)果顯示TNO器件由于較大△VTHOX和△VTHIT,其總的NBTI退化要比PNO器件大的多。對(duì)于TNO器件而言,當(dāng)柵壓在2V或靠近工作電壓時(shí),EOT=3.5nm,1000秒后△VTH仍有3