高k介质金属栅器件热载流子测试及其失效机理

发布时间：2021-07-07 15:12

　　高k介质金属栅工艺器件的热载流子注入（HCI）效应已经表现出与成熟工艺不同的退化现象和失效机理。对不同栅电压下n型和p型金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）的饱和漏电流退化情况,以及器件的退化效应进行测试和分析。通过分析衬底电流和栅电流在不同栅电压下的变化趋势对失效机理进行探讨,分析其对饱和漏电流退化的影响。研究结果表明,在高k介质金属栅工艺器件的HCI测试中,器件退化不再是受单一的老化机理影响,而是HCI效应、偏置温度不稳定（BTI）效应综合作用的结果。HCI测试中,在不同测试条件下失效机理也不再唯一。研究结果可为高k介质金属栅工艺下器件可靠性测试中测试条件的选择以及准确的寿命评估提供参考。 

【文章来源】：半导体技术. 2020,45(04)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

成熟工艺HCI测试中Idsat退化情况

图2为高k介质金属栅工艺NMOS管Idsat退化情况。如图2所示,在高k介质金属栅工艺器件中,栅极电压从Vt(0.2Vop)增加到Vop过程中,表现出的Idsat退化情况与成熟工艺器件所表现的相同,而且在这个范围内,Vg@Ib,max时退化较大。但是随着Vg继续增加到1.5Vop,Vg=Vd时的退化已经超过Vg@Ib,max时,成为使HCI效应最严重的栅压应力条件,即最坏栅压应力条件,这与成熟工艺中已经有所不同。同样地,相对于0.35 μm工艺NMOS器件,最坏栅压应力条件为0.4Vd<Vg<0.5Vd[11];对于沟道长度大于 0.25 μm的NMOS 器件,最坏栅压应力为Vd的0.4 ～ 0.55倍[12]。可见同条件下高k介质金属栅工艺器件的退化机理和方式相对于成熟工艺的输入/输出器件来说已经发生了变化。为探究这个反转现象以及高k介质金属栅工艺器件的HCI失效机理,进行了以下实验。

图3为NMOS管衬底电流Ib随Vg的变化。如图3所示,在漏端加载1.5Vop电压,栅极加载电压逐步加大,电压的范围为0～1.5Vop,当栅电压加载电压为1.5Vop时,衬底电流相对于Vg@Ib,max条件下的衬底电流来说非常微弱,此时漏端碰撞电离产生的HCI效应并不是最强,但在该条件下饱和漏电流的退化情况却是最大,此时漏端碰撞电离产生的HCI效应并不足以使Idsat退化超过Vg@Ib,max条件。其次,在NMOS管的栅极加载1.5Vop电压,在源、漏端加载0 V电压时,测得NMOS管的PBTI效应对于Idsat退化的影响,如图4所示。在这种测试条件下所造成的Idsat退化非常微弱,并不足以使退化超过负载电压为Vg@Ib,max下的退化结果,即在这种测试条件下PBTI效应并不是起主导作用。所以,在Idsat退化最大时PBTI效应的影响也并不是最主要的因素。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于低频噪声的65nm工艺NMOS器件热载流子注入效应分析[J]. 何玉娟,刘远,章晓文.  半导体技术. 2019(07)
[2]深亚微米NMOS/SOI热载流子效应及寿命预测[J]. 颜志英,张敏霞.  浙江工业大学学报. 2003(02)

博士论文
[1]MOSFET热载流子退化效应的研究[D]. 陈勇.电子科技大学 2001

硕士论文
[1]NMOS器件热载流子效应研究[D]. 曹成.西安电子科技大学 2015



本文编号：3269864