资源描述：
《热载流子应力感应n-MOSFETsGIDL特性退化的机理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第12期半 导 体 学 报Vol.20,No.121999年12月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSDec.,1999热载流子应力感应n-MOSFETs3GIDL特性退化的机理徐静平黎沛涛(华中理工大学电子科学与技术系 武汉 430074)(香港大学电机电子工程系香港薄扶林道)摘要 对不同栅氧化物n2MOSFETs的GIDL(Gate2InducedDrainLeakage)特性在不同热载流子应力下的退化行为进行了研究.发现GIDL的漂移对栅电压十分敏感,在VG=015VD的应力条件下呈现最大.通
2、过对漏极附近二维电场及载流子分布的模拟,引入“亚界面陷阱”概念,对所涉及的机理提出了新见解,认为:在应力期间,亚界面和体氧化物空穴陷阱的解陷分别相应于VG=015VD和VG=VD两种典型应力下GIDL的漂移.实验还观察到N2O氮化,特别是N2O退火NH3氮化的n2MOSFETs比常规热氧化n2MOSFETs有小得多的GIDL漂移,表明这种氮化氧化物能大大抑制亚界面和体空穴陷阱.EEACC:2560R,0170N1 引言[1,2]栅极感应漏极漏(GIDL)电流是MOSFETs主要的断态漏电机理,严重影响着器件的可靠性.特别是随着器件
3、尺寸的不断减小,器件内部横向电场不断增强,热载流子效应引起断态漏电增加的机率随之变大.张炯等对n2MOSFETs反向断态电流的研究发现,应力[3]后的断态电流变大.本文在对n2MOSFETsGIDL电流的研究中也观察到同样现象,而且进一步发现GIDL电流增加与应力时栅电压的大小(漏电压固定)密切相关,其中在最大衬底电流应力条件下(VG=015VD)漂移最大.这一发现有助于全面了解GIDL的性质及其与氧化物陷阱的关系,也可为MOSFETs最佳工作条件的选择提供参考.一般认为,在低场区,引起GIDL电流的一个主要机制是电子从价带隧道至
4、导带,即所[2,4]谓的带2带(B2B)隧道效应.显然,B2B隧道与硅表面势,或者说能带的弯曲程度密切相关.本文以此为基础,通过对漏极附近电场和载流子填充水平的二维器件模拟、将栅氧化物3香港大学RGC和CRCG基金资助项目徐静平 博士,副教授,研究兴趣包括MOS器件介面物理、先进的栅介质材料、热载流子效应以及碳化硅为基的高温、高频和大功率半导体器件黎沛涛 香港大学电机电子工程系副教授,博士,研究兴趣包括各种控制IC复杂性的物理机理调查、用于IC工艺和半导体器件模拟的有效算法及模型研究,以及用于IC工艺、集成传感器、器件和电路设计的
5、PC为基CAD工具的开发1999202226收到,1999206207定稿1088半 导 体 学 报20卷陷阱划分为亚界面陷阱及体陷阱两部分,并比较研究N2O处理与常规n2MOSFETs的不同GIDL特征,对GIDL在不同栅压下漂移的机理进行了详细的分析讨论,提出了新的见解.同时得出N2O处理的栅氧化物有大大抑制的氧化物空穴陷阱,从而小的GIDL漂移,是一种优质的栅介质膜.2 实验+n2MOSFETs由自对准n多晶硅栅极工艺制备.衬底为电阻率6～88·cm的p型硅单晶片.栅氧化物包括热氧化(OX)、NH3氮化(NO)、N2O退火N
6、H3氮化(N2ONO)及N2O氮化(N2ON)几种氧化物.各种栅氧化物的制备条件如表1所示.所有栅氧化物最后在氮气氛中在950℃退火25min.表1中不同氧化时间是为了获得一致的氧化物厚度(～13nm).MOSFETs的栅极长(L)和宽(W)均为20Lm.GIDL电流的测量条件为:VG=-1V,VD=3～10V,源和衬底接地.热载流子应力条件为:VD=8V,VG为2,4,6,8V,时间为1,20,50,○R100,160s.二维器件模拟由MINIMOS器件模拟器获得.栅2漏重叠区宽度由BSIMPro抽取,约为011Lm,从而有效沟
7、道长度为1918Lm.测量在充氮、遮光和电屏蔽的条件下,采用HP4145B半导体参数分析仪进行.表1 四种栅氧化物的制备条件器件氧 化氮 化退 火OXO2,850℃,70min--NOO2,850℃,70minNH3,950℃,35min-N2ONO2,850℃,60minN2O,950℃,35min-N2ONOO2,850℃,65minNH3,950℃,35minN2O,950℃,30min3 结果和讨论图1所示为应力后OX器件的GIDL漂移.实线为应力前稳态测量结果,其它各线分别表示在不同栅电压下(固定VD=8V)应力达160
8、s后的测量结果.可以看出,VG=015VD=4V以及VG=VD=8V两个典型的应力分别导致最大及最小的GIDL漂移.然而,对于N2ON器件,特别是N2ONO器件,相应的漂移小得多,如图2所示(为清楚起见,仅画出在上述两个典型应力下的漂移).这一现象
