NMOS器件热载流子效应研究

摘要

超大规模集成电路的迅速发展，迫切要求提高整个电路系统及单个器件的性能与可靠性，这是因为集成电路是由元器件组成的，单个器件的性能与质量直接决定系统的可靠性。热载流子效应作为重要的可靠性问题之一，通过纵向与横向的高强度电场能够破坏器件氧化层的质量，降低使用寿命，不仅会导致阈值电压、最大跨导以及饱和漏电流等标志器件可靠性的参数漂移，还会引起栅泄漏电流的增大，严重影响电路系统的稳定性与可靠性，因而，对热载流子效应进行深入的研究具有重要的意义。
　　本论文针对NMOS器件中的热载流子效应以及HCI应力导致的栅泄漏电流SILC的退化进行了深入的探究。先从HCI效应的本质出发，探讨引起NMOSFET失效的HCI物理机制，阐述 NMOSFET内部热载流子的产生方式与运动规律，重点介绍了有关 HCI效应的重要模型，经典的物理模型包括衬底电流模型和幸运电子模型，指出这两种模型分别从衬底电流及栅电流两个方面来描述热载流子的运动过程；其次给出有关探究NMOSFET热载流子效应的不同测试方法，针对Silvaco仿真软件进行了较为详细的说明，指出该软件对于研究NMOS器件热载流子效应的重要辅助作用。
　　通过对栅氧厚度为4nm的NMOS器件进行一系列实验测试，结合仿真软件的模拟结果，研究器件的沟道长度、沟道宽度、应力条件等对衬底电流及栅电流的影响，由此确定导致器件热载流子效应最为严重的最坏 HCI应力条件，并研究了最坏应力条件与结构参数的关系，深入分析了沟道长度对最坏栅压的影响以及导致应力条件转变的物理机制；通过间断应力实验，研究了 NMOS器件在热载流子应力下的参数退化，主要有阈值电压正向漂移、最大跨导减小以及饱和漏电流降低等，并研究了HCI应力作用下栅泄漏电流退化的机制，认为造成SILC漂移的重要因素是栅氧化层中陷阱电荷的增加，并通过实验证明了热载流子效应能够引起NMOS器件的SILC随应力时间以指数规律增大，结合衬底电流模型与幸运电子模型，将SILC的漂移与阈值电压、衬底电流峰值的漂移进行对比分析，发现它们拟合成一条直线，这说明热载流子效应确实是导致NMOS器件SILC漂移的重要因素，与此同时也可以用HCI效应过程中产生的栅泄漏电流来表征NMOSFET在HCI应力下造成的损伤以及性能的退化。最后，从理论上指出采用间断应力方式进行测试有可能会产生的实验误差，并设计了不间断应力实验，将测试结果与间断应力进行对比，发现确实存在少量的误差，这说明在间断应力测试的过程中，测试时间内器件性能的恢复是存在的，这也为研究HCI应力下NMOS器件的损伤恢复提供了有效的思路与方法。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本课题研究的意义

1.4本论文的主要研究工作

第二章 热载流子效应的物理机制及研究方法

2.1基本物理机制

2.2基本物理模型

2.3热载流子效应的研究方法

2.4本章小结

第三章 热载流子效应引起的器件性能退化研究

3.1实验方案与Silvaco仿真方法

3.2应力条件对NMOS器件性能的影响

3.3器件尺寸对NMOSFET热载流子特性的影响

3.4本章小结

第四章 最坏HCI条件及SILC研究

4.1最坏HCI应力条件的影响因素

4.2 HCI应力诱导栅泄漏研究

4.3不同应力方式误差分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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