超深亚微米LDD MOSFET器件模型及热载流子可靠性研究

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1、摘要摘要轻掺杂漏(LDD)I艺已经成为亚微米、超深亚微米MOS器件能够有效地抑jE热载流子(Hc)效应的标准工艺之一，但它同时也带来了在小尺寸器件模型和热载流子退化机理方面与常规结构器件的差异。本文针对超深亚微米漏工程器件的模型及可靠性的研究，建立了适用于超深亚微米LDDNMOSFET器件的I．v简捷模型并改善了衬底电流模型的描述。对实验数据的参数提取方法也进行了修正，使提取出的参数更符合实际情况。对热载流子的特殊退化机理从实验和理论两方面进行了详细研究，证实了超深亚微米LDDNMOSFET器件的两阶段退化机理。对低工作电压下的碰撞电离机理进行了较深入的分析，并且验证了在0．18微米

2、CMOS工艺中EES效应和晶格温度升高带来的碰撞电离热助效应的存在，提出了在低电压下器件最坏热载流子应力条件转换的微观机理，并阐述了它们与器件热载流子寿命的关系。主要研究结果如下：首先通过分析总结典型的短沟MOS器件模型的建模原理和适用范围，建立了适用于深亚微米、超深亚微米LDDNMOSFET的简捷器件模型(Compactmodel)。模型采用了双曲正切函数的经验描述方法，包括了对反型状态和亚闽状态的描述，结合短沟器件载流子速度饱和理论，充分考虑了各种短沟效应的影响因素。广泛采用理论分析和实验数据相结合的方法，对器件的阈值电压、输出特性、跨导特性、衬底电流等进行了解析分析，使模型的计

3、算简便，且保证一定的精度。重点分析了衬底电流的机理，在I—v特性模型的基础上建立了适用于LDDNMOSFET的短沟衬底电流半经验一半解析模型，其中对特征长度f这一非常重要的参数做了改进描述，使之更适合分析薄栅深亚微米器件的衬底电流特性，该模型被用于从亚微米到超深亚微米的LDDNMOSFET的性能描述，得到了与实验数据相一致的模拟结果。设计并采用0．18微米CMOS工艺制造了LDDNMOSFET器件样品，对传统的参数提取方法进行了改进，提取出了与栅偏压和器件尺寸相关的参数，如阈值电压、源漏串联电阻、有效迁移率、有效沟道长度等等，这些参数的变化规律符合LDD器件的特殊工作机理，并应用到已

4、经建立的器件模型中进行了验证分析，结果显示器件的输出电流特性、跨导特性、转移特性和衬底电流特性等的模拟与测试数据达到了很好的一致性，证明了参数的精确提取对器件建模的重要作用。通过对自主设计的O．18微米CMOS器件工艺的LDDNMOSFET管芯进行的大量不同的HC应力测试，根据其闽值电压的漂移特点和线性漏电流的退化特性以及饱和趋势，证明了此阶段大多数界面损伤发生在质量较差的侧墙中，随后有更多的负电荷累积在栅一漏重叠区(亚扩散区)及沟道区，进一步证实了热载流子两阶博士论文：超深Ⅱ微米LDDMOSFET器件模型及热载流子可靠性研究段退化理论模型。得到具有氧化物侧墙的LDDNMOSFET器

5、件所呈现的两个不同退化阶段的不同机理：第一阶段，侧墙下LDD区漏串联电阻的增加；第二阶段，主要是沟道中迁移率的减小。提出可靠性评估标准。通过实验的方法验证了超深亚微米LDDNMOSFET的最坏热载流子应力条件的转变，分析了沟道长度、漏电压和温度在决定最坏热载流子应力条件中的作用。研究表明，最坏热载流子应力条件，是器件沟道长度、漏电压以及温度的函数。随着超深亚微米NMOSFET器件尺寸的缩小和电源电压的降低，EES效应和自热效应这样的能量获得机制，对其HC退化的影响越来越大，是出现非幸运电子模型效应的根本原因。对影响墩坏热裁流予应力条件的因素进行了深入分析，得出沟长的减小和温度的降低均

6、会促使最坏热载流予的栅压应力条件转变。最坏栅压应力条件从tsut3，MAX(DAttC)转交秀Vd产V#(CHC)，楚鸯羹速热载滚子应力下豹爨终寿念颈溯理论需要重新修正。对于某些沟长的器件，栅压应力ISUB，MA)((DAHC)和vd。=v。(CHC)下的器件寿命簦线有交叉淡象，鞠魏对于器俘豹最环应力条件静译估，不能只在每个应力条件下仅仅考察一个漏偏置电压。分析了EES效应对低工作电压下的碰撞电离的增强作用。研究表萌，电子能量分布(EED)中的窟毖爆豹存在，饺EES效应对磁撞电离率M的影响在低濑下更明照。栅压VG的增大，使EES比率增加，引起M的增大。在MOSFET中，电子赘大部分麓

7、量是麸亳缓逸获褥，嚣魏，毫麓遑中鹣电子憨数不仅菠熬予逛予豹密度，而且还与器件高场区的电场强度有关。在特寇vD下随着LG的减小，漏端的电弱增强，EES效应增强。戮魏，对予低工作亳蔗下静止热载滚子效应静麓深亚微米器件的设计，特别是应用于低温环境中的器件设计，EES效应的影响是不可忽视的。分辑了鼹掺湿度对超涤亚微米LDDNMOSFET低工作逝压下豹碰攮电离的增强作用。品格温度引起的碰撞电离热助效应的研究袭明，电子能量分布中的热尾与晶褡瀣度豹关系，使低瀑毫丞下静磁