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1、第19卷第4期 半 导 体 学 报 Vol.19,No.41998年4月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSApr.,1998反向关态电流在热载流子蜕变3效应研究中的应用张 炯 李瑞伟 钱 伟(清华大学微电子学研究所 北京 100084)摘要 本文研究了nMOSFET’s器件的反向关态电流(Ioffr)特性.我们发现,刚受过热载流子应力的器件Ioffr呈现一个突然的增高,而在随后的一段时间里(我们定义其为弛豫时间)又呈指数下降,这一现象是由于在热载流子应力过程中注入的热空穴的消散造成的.所以我们认为Ioffr不但可以作为热空
2、穴注入的有力证据,而且可以作为热空穴研究的有效手段.EEACC:0170N,2560R1 引言随着集成电路的发展,器件尺寸不断缩小,热载流子蜕变效应成为其发展的一个重要限[1,2]制因素.热载流子效应的研究作为一个重要课题,一直为国内外有关研究者所重视.[1～3]比较经典的观点认为热电子的注入是器件热载流子失效的主要原因.但是Here2[4～6]mans等人认为热空穴的注入在器件热载流子失效中也起着重要的作用.虽然后者的观点为很多人所接受,但问题是,目前还缺乏热空穴注入研究的有力手段.器件的阈值电压,跨导等参数的变化($Vth,$Gm)更多地只是反映了热电子的注入.程玉华等人研究了不同应
3、力(热电子应力和热空穴应力)后器件阈值的不同变化趋势,[7,8]希望能揭示热空穴注入的存在和作用,但其实验中对电子注入和空穴注入应力的划分却值得推敲.我们在nMOSFET’s热载流子蜕变效应的研究中发现,当器件受热载流子应力作用后,反向关态电流(Ioffr,即交换应力时的源、漏区测得的漏端电流)表现出有意义的规律性变化.进一步的研究表明,Ioffr的这种变化反映了热空穴注入及衰变过程.所以Ioffr可以作为热空穴注入的表征参数.2 器件制备及实验说明实验用的器件由我所1Lm工艺线制备.P型(100)硅片衬底电阻率为30～508·cm,我3本文的工作得到国家“八五”和“九五”计划项目的支持
4、张 炯 男,1969年出生,博士生,主要从事小尺寸MOS器件可靠性及工艺研究李瑞伟 男,1936年出生,教授,博士生导师,主要从事半导体器件物理及VLSI的研究1997202222收到,1997205230定稿288 半 导 体 学 报 19卷们制备了WöL从20Lmö017Lm到20Lmö210Lm的LDD2NMOS器件,LDD的侧壁(SPAC2+ER)长约150nm,器件阈值为016～017V.沟道区进行了两次注入,分别用于调开启(B剂122+122量:3×10öcm能量:20keV)和防穿通(B剂量:115×10öcm能量:120keV).栅氧的厚度为1
5、0nm和20nm,分别对应结深0115Lm和0125Lm.实验过程是:周期性地给被测器件施加热载流子应力(应力条件如图1说明中所述),在应力周期的间隙(即弛豫时间中)不断监测器件的正向和反向关态电流.关态电流为Vd=5V,Vg=Vs=Vsub=0V时的漏端电流(Idrain).所有的测试均在HP4062半导体参数测试仪上进行.为了解释实验结果,还利用器件二维模拟软件TMA2MEDI2[9]CI进行了器件的表面势分析.3 实验结果及讨论图1给出一个典型的实验结果.作为对比,图中同时给出正向关态电流(Ioff)的变化.图中的Ioffr呈现出两个特性:(1)每次应力过程后,Ioffr均有大的上
6、升,且随后图1LDD2nMOS(WöL=20Lmö018Lm;Tox=10nm)呈急剧的下降趋势;(2)累积一的正、反向关态随周期性应力时间的变化段时间的应力后(约5分钟×8个一个实验周期为:应力过程(Vd=6V,Vg=215V,Vs=Vsub=0V;周期=40分钟),Ioffr呈饱和趋势.应力时间5分钟)和弛豫过程(测三次关态电流,各次间隔5分钟).对其它尺寸NMOS样品的测量中,我们也看到几乎相同的结果.下面,我们分别就这二个特性进行分析:(1)由于关态电流的大小主要取决于测量时的源2沟势垒,所以反向关态电流主要由器件加热载流子应力时的漏2沟势垒的变化所决定的.因此,我们先考察一下在
7、器件受过热载流子应力后,器件的漏2沟势垒的状况.Hofmann根据电荷泵实验的结果,认为热载流子应[10]力后注入的电荷分布如图2所示,但是我们认为,图中的负电荷峰应移至虚线处(解释见本节的(2)).并且,图2给出的注入界面电荷分布只表示应力刚结束时的情况,因为注入的空穴(正电荷)在弛豫时间里会减少(它们注入得比较浅).我们先利用TMA2MEDICI软件模拟,定性给出减少的空穴对漏2沟势垒(即测反向关态电流时的源2沟势垒)的影响.为
