热载流子效应对MOSFET可靠性的影响.doc

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1、热载流子效应对MOSFET可靠性的影响摘要：热载流子是器件可靠性研究的热点之一。特别对于亚微米器件，热载流子失效是器件失效的一个最主要方面。通过对这种失效机理及其失效模型的研究，为设计和工艺提供帮助，从而有效降低由热载流子引起的电路失效，提高电路可靠性。本文最后还介绍了典型的寿命预测模型，并对器件退化的表征技术进行了概述。关键词：可靠性；热载流子效应；MOSFET；寿命；表征技术TheeffectofHCIonMOSFET’sreliabilityAbstract：Hot-carrierisahotspotindevicereliabilityresearch．Ho

2、t-carriermostlyinduceddevicedegradationespecialforsub-micronprocess.Itisveryusefulfordesignandprocessmanufacturebytheresearchingoffailuremechanismandmodel.Finally,weintroducethetypicallifepredictionmodelsandthetechnologiesforcharacterizationofMOSFET’degradationaresummarized.Keywords:Re

3、liability;Hotcarriereffect；MOSFET;Life;Characterizationtechnology1引言随着VLSI集成度的提高，MOSFET的尺寸迅速减小，包括器件在水平和垂直方向上的参数(例如：沟道长度L、宽度W、栅氧厚度Tox、源漏结深Xj等)都按一定规律等比例缩小；但是在缩小器件尺寸的同时要保持大尺寸器件的电流-电压特性不变，所以即使按照等比例缩小规则对器件的结构进行优化，薄栅氧以及较短的沟道长度都会使沟道区纵向电场和横向电场增大，使得沟道区载流子在从源向漏移动的过程中获得足够的动能，这些高能(热)载流子能克服Si_si0。界

4、面势垒进入氧化层，造成Si-SiO2界面损伤或产生氧化物陷阱(如图1所示)，使MOSFET的阈值电压Vth、线性区跨导gm等参数发生漂移或退化，影响器件的可靠性，并最终引起电路失效，此即为热载流子效应【1】。图1NMOS齐建忠热载流子效应示意图本文概述了热载流子效应引起的MOS器件退化的物理机制，对热载流子效应引起的退化、寿命预测模型，以及已报道的研究结果进行了评述。最后对热载流子退化特性的表征技术进行了总结2热载流子效应导致MOSFET退化的物理机制及模型薄栅器件热载流子效应的研究结果表明，器件退化是由三种因素引起：1）氧化层中的电荷注入与俘获【2】；2）电子核俘

5、获空穴引起的界面态【3,4】；3）高能电子打断Si-H键引起的界面态【5】.深亚微米器件由于工作电压太低，不能产生明显的电荷俘获，由于栅氧化层太薄，俘获电荷已发生泄露，因此，电荷俘获可以忽略。与此类似，由于空穴注入可以忽略，由电子-空穴结合引起的界面态产生已变得不重要。由于高能电子所具有的能量不足以打断键能较高的Si-O和Si-Si键，一般认为，因有三种因素起主导作用。因此，有关界面态的产生机制有两种模型：氢氧释放模型【3】(Hydrogen-ReleaseModel)和碰撞电离模型【5】(ImpactIonizationModel)，目前，引用较多的时氢氧释放模型

6、。氢释放模型认为，SiO2界面附近的热电子把自身能量传递给Si，引起晶格振动，在Si表面就会释放一些类氢离子，这些粒子能够越过SiO2和Si的界面势垒，并产生陷阱、界面态和复合中心等类型的缺陷。此模型主要用于研究均匀应力下的旗舰退化。碰撞电力模型认为，能量大于3.2eV的高能电子打断Si-H键，产生了界面态。但此模型是在栅氧化层较厚、栅电场较大的情况下提出的，在薄栅情况下，他是否仍然使用吗，尚在研究中。3热载流子效应下的MOSFET可靠性寿命预测模型热载流子效应研究的主要目的之一，是建立寿命的可靠性预测模型，而最差应力模型的确定是寿命预测模型研究的基础。3.1最差应

7、力模式的确定所谓最差应力模式，就是期间在工作电压下退化最坏时所施加的应力模式。工作电压下的最差应力模式的确定，对于选择加速应力下的偏置条件是非常重要的。目前，对最差应力模式的确定由三种看法：Ib,peak为最大应力模式【6】；Vg=Vd为最大应力模式【7】；Vg=Vd和Ib,peak在同种寿命预测模型下退化的比较。由于其表征旗舰退化的参数不同，比如选择饱和漏电流退化ΔIdsat/Idsat0、跨导退化Δgm/gm0或电荷泵电流ΔItp，以上提到的三种最差应力模式可能有所不同。最差应力模式还与器件结构、工艺、特征尺寸、氧化层厚度的影响相关。目前争论的焦点是，由实验