NBTI PMOS 薄栅氧PMOS器件的HCI效应和NBTI效应.docx

可靠性：PMOS薄栅氧PMOS器件的HCI效应和NBTI效应《半导体制造》2006年10月刊
作者：JoyceZhou、JeffWu、JackChen、Wei-TingKaryChien,中芯国际
随着CMOS晶体管尺寸的不断微缩，人们越来越关注PMOSHCI(热载流子注入)可靠性问题。本文对薄栅氧PMOS晶体管的可靠性进行了准确的表征，并且深入研究了其衰减机制。此外，我们还对引起PMOS器件衰减的NBTI(负偏压温度不稳定性)效应进行了解释说明。
对PMOS而言，最坏的衰减条件与Vg大小非常相关。为此，我们提出一种方法以证明PMOS衰减是在较大Vg条件下由HCI效应导致的漏极缺陷引起的，它与NBTI效应完全不同。此外，我们还分别解释了HCI和NBTI效应的机理。
最后，我们研究了HCI和NBTI的综合效应。在HCI和NBTI的综合作用下，超薄栅氧PMOS器件参数的衰减程度比单独的HCI或NBTI效应要严重得多。
为了找到薄栅氧PMOS器件HCI效应的最坏条件，实验中我们对1.2V和1.5V短沟道PMOS器件进行了测试。我们提出了一种在较高栅电场下区分HCI效应和NBTI效应的方法。此外，我们还对这两种效应(即HCI和NBTI)导致的器件参数偏移之间的相关性进行了研究，并且探讨了HCI-NBTI综合效应对薄栅氧PMOS器件可靠性的严重影响。下一节我们将介绍HCI的最坏条件。为了检测HCI效应引起的漏极损伤问题，我们在下一节中引入了“偏移”参数(Offset)。然后，我们对非均匀NBTI效应进行了描述。
薄栅氧PMOS器件HCI效应的最坏条件
正如JEDEC-60提到的那样，在施加大小为Vg的栅偏压条件下，p沟道器件的参数变化程度最大，此时栅电流也处于最大值(Ig)[1]。早期，大多数研究集中于HCI偏压条件下PMOS的电子陷阱效应[2]。氧化层中很少会出现空穴陷阱，原因有几个，例如空穴注入的界面势垒较高、热空穴具有比热电子小得多的散射平均自由程等。然而，短沟道器件(沟道长度小于0.25微米)的情况就不一样了。随着器件尺寸的微缩，最大栅电流下的栅极偏压已经不能检测到真正的HCI衰减现象。当器件的沟道长度小于0.15微米时，峰值栅电流的检测就变得更加困难了。
图1

图2&3

图4&5

图6&7

图8

图1为不同漏极电压(Vd)下Isub(虚线)和Ig(放大了1,000倍)随栅极偏压的变化曲线。如图所示，Vg≈1/3Vd时，Isub达到最大值；Vg增大时Ig跟着逐渐减小，而且没有峰值出现。最重要的是，Vg较小时Ig为正值，说明Vg较小时空穴的贡献比较多，这与长沟道PMOS器件完全不同。
对薄栅氧PMOS晶体管而言，更关键的是如何找到真正由于HCI效应导致器件衰减的最坏条件。1.5V和1.2VPMOS器件在不同Vg条件下的Idsat衰减曲线如图2和3所示：
图2中，我们选择了四种Vg：Vg等于0.55V和1.1V时分别具有最大Ig和Isub；Vg等于1.5V时是该器件的工作电压；Vg等于3.3V，此时Vg等于Vd。类似地，1.2VPMOS晶体管的测试条件为：与最大栅电流Ig相对应的Vg为0.87V；与最大Isub相对应的Vg为1.2V；以及Vg等于Vd(如图3所示)。
如图2和图3所示，薄栅氧PMOS晶体管的最坏条件为Vg=Vd。该条件可以为空穴注入提供最有利的纵向电场[3]。对PMOS而言，FN偏压会导致与热载流子偏压同等数量级的Idsat衰减，Vg本身就足以导致严重的Idsat衰减现象[4]。
由于Vg和高温会大大增强NBTI效应，因此我们需要对HCI-NBTI综合效应进行考虑，并且尽量区分两者的作用。
检测HCI效应导致的漏极损伤
利用正向和反向模式对Idsat衰减现象进行监测是十分必要的。通常，施加电压之前Idsat在正向模式和反向模式下应该大致相同，这也是判断器件对称性的常用标准。施加HCI偏压之后，由于在漏极区域附近产生了很多缺陷并逐步积累，很多电子被这些缺陷所捕捉，从而导致电流的减小，因此反向模式下的Idsat比正向模式小。NBTI则不同，该效应导致的缺陷可能是沿着沟道和附近界面对称分布的。因此，当我们从Id特征中计算参数时要特别小心对HCI结果的解释。我们对两种模式下的参数“偏移”量进行了如下定义：
偏移量（Offset）=Idsat(%)_r－Idsat(%)_f其中，Idsat(%)_r和Idsat(%)_f分别是反向和正向模式下Idsat的衰减百分比。
Offset可以帮助我们判断HCI诱导漏极损伤情况的严重程度，并且有效地与Vg较高条件下栅偏压不稳定所导致的损伤相区分。图4所示为不同Vg下1.2VPMOS的Offset大小。如图所示，Vg较高时，Offset衰减程度随着时间的推移而增大，这主要是因为H