超薄栅氧化层的TDDB特性与寿命评估

摘要

随着超大规模集成电路的不断发展，超薄栅氧化层的质量对器件和电路可靠性的作用越来越重要。经时绝缘击穿（TDDB）是评价薄栅氧化层质量的重要方法。本文介绍了氧化硅结构及其作为栅氧化层的击穿机理和几种主要TDDB击穿模型，重点介绍了其中的1/E模型。论述了薄栅氧化层TDDB可靠性表征方法及其相关参数。采用恒定电压法，对同一种工艺条件，沟道长为90nm，栅氧化层厚度为1．4nm的NMOSFET施加五种电压应力，测试其相应的击穿时间。比较了相同器件在不同电应力条件下击穿时间和击穿栅漏电流的差异，通过不同应力下样品的击穿时间得到与其对应的栅氧化层累积失效分布图和中位寿命，进而完成1/E模型参数的提取，最后由模型外推出器件在正常工作电压下栅氧化层的寿命，并分别从应力类别和应力大小两个方面对实验结果进行了修正。此外，栅氧化层发展的另一个方向是寻找高k栅介质替代传统的氧化硅，文中就如何选择高k栅介质材料进行了论述，并对氧化硅的理想替代物HfO2及其电学特性做了详细讨论。

目录

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第一章 绪论

1.1 集成电路产业的发展现状

1.2集成电路栅介质面临的挑战

1.3检测氧化硅质量的方法

1.4影响氧化硅质量的缺陷

1.5本文主要研究内容

第二章 薄栅介质二氧化硅的击穿机理及TDDB击穿模型

2.1 二氧化硅的结构和性质

2.1.1二氧化硅的结构

2.1.2本征二氧化硅和非本征二氧化硅

2.1.3网络形成剂和网络改变剂

2.2二氧化硅本征击穿的机理

2.2.1栅氧化层的软击穿与硬击穿

2.2.2栅氧化层击穿

2.3二氧化硅的本征击穿模型

2.3.1 1/E模型

2.3.2 E模型

2.3.3 1/E与E的统一模型

2.3.4逾渗透模型

2.3.5其它模型

2.4本章小结

第三章 薄栅氧化层TFDDB击穿表征的相关参数

3.1氧化层电荷效应

3.2薄栅介质累积失效率F(t)

3.3栅氧化层击穿电量Qbd

3.3.1恒流应力下的击穿电量Qba

3.3.2恒压应力下的击穿电量Qbd

3.4恒流应力下TDDB击穿时栅电压增量△Vbd

3.5击穿时间tbd

3.6 临界陷阱密度Nbd

3.7本章小结

第四章 超薄栅氧化层的TDDB寿命评估

4.1 TDDB测试方法

4.2恒压法TDDB实验条件

4.2.1 实验装置

4.2.2实验方案

4.3实验数据处理

4.3.1数据处理理论基础

4.3.2数据处理过程

4.4实验结果分析与修正

4.4.1 脉冲和直流应力下栅氧化层的寿命差异

4.4.2低电应力下栅氧化层的寿命差异

4.5本章小结

第五章 超薄栅介质发展的另一个方向——高k栅介质

5.1高k栅介质的发展现状

5.2高k栅介质材料的选择

5.2.1高k栅介质的介电常数选择

5.2.2高k栅介质与硅的带边匹配△Ec

5.2.3高可栅介质与硅的热力学稳定性及其界面特性

5.3高k栅介质HfO2的特性

5.4本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

研究成果