纳米CMOS器件的新测量方法并用于可靠性的研究

摘要

CMOS器件尺寸越来越小,栅介质厚度持续减小,负偏压温度不稳定性(NBTI)成为制约器件可靠性及寿命的最主要因素之一。然而,NBTI机理一直处于争论之中。其原因一方面源于对于NBTI现象的解释各不一致,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,不能正确地建立NBTI机理。
　　本论文主要系统地对比和分析了纳米CMOS器件表征方法,并发展了新的表征方法,并将这些表征方法应用于NBTI研究。在阈值电压(VTH)表征方面,论文详细分析了直流(慢的)Id-Vg测量阈值电压漂移(△VTH)存在恢复的原因,并针对Kerber等人的脉冲测量方法的不足,建立了快速脉冲Id-Vg测量(FPM),其测量时间tM达1μs,极大抑制了测量过程中的恢复效应。实验发现测量时间tM越小,△VTH越大,其结果表明NBTI测量过程中发展快速测量的重要性。在界面陷阱(NIT)表征方面,论文阐述了传统电荷泵(CCP)和直流电流电压(DCIV)方法原理、测量设置,还给出了快速DCIV测量。不同测量点数的CCP和DCIV方法测量得到的界面陷阱的产生(△NIT)是不一样的,该实验结果表明CCP和DCIV方法本身亦存在恢复效应。为了避免测量过程中的△NIT的恢复,我们发展了一种新颖的实时界面陷阱(OFIT)测量方法。
　　论文就OFIT测量原理、仪器设置和电路实现给出了细致的分析,并运用OFIT方法对应力引起的△NIT进行了表征。我们得到的主要结果有:(1)OFIT方法测量得到的△NIT比CCP方法得到的大的多。当温度小于100℃时,△NIT的时间幂指数n呈线性增加;当温度大于100℃时,n趋于饱和值0.18。OFIT实验结果表明△NIT服从色散的H2分子扩散的R-D模型,这与CCP方法得到的Arrhenius关系不同。(2)在测量误差范围内,实验结果显示时间幂指数n与电场强度、栅介质厚度无关。(3)论文将CCP、DCIV和OFIT测量方法进行了对比,结果显示CCP方法由于存在严重恢复效应,相同NBTI应力条件下测得的△NIT最小,DCIV方法测得的△NIT次之,OFIT方法测得的△NIT最大。温度100℃时,三种方法得到的△NIT的时间幂指数n分别为0.31、0.28和0.18,n值越小表示恢复效应越小。(4)OFIT和慢的Id-Vg测量结果对比表明后者不仅存在氧化层电荷俘获△NOX的恢复而且存在界面陷阱的产生△NIT的恢复。
　　论文还采用OFIT和FPM测量方法研究了等离子体氮化(PNO)和热氮化栅介质(TNO)pMOSFETs的NBTI特性,得到的实验结果主要有:(1)TNO和PNO器件具有相同的△NIT的时间幂指数n,即当温度小于100℃时,n随温度线性增加;当温度大于100℃,n达到饱和值0.18。界面陷阱产生的机理与氮浓度在TNO和PNO器件的栅介质中的不同分布无关,激活能EA=0.17eV。(2)对于TNO器件,采用OFIT测量得到的界面陷阱的产生和用FPM测量得到的阈值电压漂移的恢复均比PNO器件约大10％。(3)结合OFIT和FPM测量方法,可以区分界面陷阱产生和氧化层电荷俘获引起的阈值电压漂移△VTHIT和△VTHOX。对于PNO器件,NBTI退化主要来自界面陷阱的产生;对于TNO器件而言,氧化层电荷俘获对NBTI退化起主要作用。(4)我们也对比了TNO和PNO器件的快速瞬态阈值电压漂移与应力电压的关系,其结果显示TNO器件由于较大△VTHOX和△VTHIT,其总的NBTI退化要比PNO器件大的多。对于TNO器件而言,当栅压在2V或靠近工作电压时,EOT=3.5nm,1000秒后△VTH仍有30mV左右的退化,而对于PNO器件而言,△VTH在10mV以内。
　　此外,第一性原理计算表明:对TNO器件而言,以氮为空穴俘获中心较之以氧为空穴俘获中心更容易在Si/SiON界面处俘获空穴而形成较大的电矩。这些结论对工艺的改进和器件性能的提高将起到指导作用。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 栅氧化层减薄的限制

1.3 栅介质可靠性问题

1.3.1 经时击穿(TDDB)

1.3.2 热载流子效应(HCE)

1.3.3 负偏压温度不稳定性(NBTI)

1.4 目前NBTI研究存在的问题及本论文主要工作

参考文献

第二章 阈值电压的直流和快速测量方法

2.1 引言

2.2 直流(DC)I_d-V_g测量

2.3 快速I_d-V_g测量方法

2.4 不同测量时间的阈值电压漂移

2.5 其它快速测量方法

2.6 本章小结

参考文献

第三章 直流电流电压(DCIV)测量及其应用

3.1 引言

3.2 DCIV测量原理

3.3 DCIV表征等离子体氮化栅介质pMOSFETs

3.4 快速DCIV测量

3.5 本章小结

参考文献

第四章 传统电荷泵和On-the-fly Interface Trap表征方法

4.1 引言

4.2 传统电荷泵测量方法

4.2.1 电荷泵测量的设置

4.2.2 三种脉冲测量的扫描模式

4.2.3 电荷泵方法测量原理

4.2.4 非稳态动力学—E_(em,h)和E_(em,e)

4.3 On-the-fly Interface Trap表征技术

4.3.1 OFIT测量原理及电路实现

4.3.2 OFIT测量方法表征界面陷阱的产生

4.3.3 OFIT方法与其它表征方法测量结果的比较

4.3.4 阈值电压漂移△V_(TH)中△V_(TH)~(IT)和△V_~(TH)~(OX)的区分

4.4 反应-扩散模型(R-D model)

4.5 本章小节

参考文献

第五章 热氮化和等离子体氮化栅介质pMOSFETs NBTI研究

5.1 引言

5.2 器件制备和测量

5.3 界面陷阱的产生

5.3.1 PNO和TNO器件的界面陷阱产生的比较

5.3.2 界面陷阱的恢复比例

5.3.3 有无界面陷阱恢复?

5.3.4 界面陷阱产生机理

5.3.5 界面陷阱产生的激活能

5.4 NBTI退化慢的I_d-V_g测量

5.5 界面陷阱产生和氧化层陷阱电荷的区分

5.5.1 不同温度的快速脉冲I_d-V_g测量

5.5.2 快速脉冲I_d-V_g测量的电压应力关系

5.5.3 PNO和TNO器件NBTI退化△V_(TH)中△V_(TH)~(IT)和△V_(TH)~(OX)的区分

5.6 第一性原理计算

5.6.1 量子化学Gaussian 03W计算软件

5.6.2 其它小组第一性原理计算

5.6.3 密度泛函理论研究NBTI

5.7 本章小节

参考文献

第六章 总结与展望

博士期间论文发表情况

致谢