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随着超大规模集成电路CMOS特征尺寸的不断减小,MOSFET的可靠性问题日益突出和复杂。90nm和65nm技术代下,超薄SiON栅介质层的pMOSFETs的负偏压温度不稳定性(NBTI)是其最主要的可靠性问题之一。随着高K/金属栅介质在45nm以下技术节点的应用,正偏压温度不稳定性(PBTI)/应力感应栅泄露电流(SILC)/时变击穿特性(TDDB)等可靠性问题成为重要的、需要深入研究的可靠性问题。虽然这些可靠性的退化现象和机理在工业界和学术界已经进行了广泛、持续的研究,但相关的物理机制仍然没有统一的共识,因此影响到器件、电路可靠性性能的表征、预测和优化方法的提出和运用。 本论文系统研究了超薄SiON和高K/金属栅介质中的可靠性特性及其相关的物理机理,完成和取得的主要研究工作和创新成果包括: 1.系统研究了氮氧硅栅介质层中NBTI的退化特性,研究发现,除了横向电场效应外,沿沟道方向的纵向源漏电场应力可引起反常增强的HH-NBTI效应,这种新的2-D电场相关的NBTI(HH-NBTI)行为,与纵向源漏电场产生的热空穴诱导的Si-H键断裂增强新效应相关。以此为基础,提出了关于≡Si-H断键的激活能与沟道纵向和横向电场关联的物理方程,建立了关于NBTI2D电场效应的新物理模型。 2.研究了DPN栅介质层的NBTI应力恢复特性,研究发现了沿沟道方向的源漏电场应力会使HH-NBTI的恢复比例减小,并且与增强的HH-NBTI的退化趋势密切相关的特征,提出了基于类施主界面态快速中和理论、综合考虑态密度DOS的分布情况的物理模型,很好解释了实验测量的HH-NBTI的恢复特性。 3.系统研究了高K/金属栅介质层的可靠性特性,针对高K/金属栅介质层中陷阱电荷关联的可靠性退化行为,利用SILC与PBTI的退化相关联的观点和方法,研究高K/金属栅介质层中原生缺陷的电荷俘获作用和栅介质层中新生体陷阱对于PBTI特性的影响。研究表明,陷阱俘获效应和新生陷阱效应都会导致阈值电压的增加,但是两者导致的SILC效应的栅漏电流的变化是不同的。其中原生陷阱俘获效应是短时间饱和、与温度不敏感的,而新生陷阱效应则是随时间指数累积的,和应力温度、电压相关的特征。提出了高K栅介质层中的新生陷阱特性具有不依赖工艺条件下的普适性的新观点。 4.建立了关于高K/金属栅介质层中新生陷阱特性以及俘获电子之后的结构弛豫特性的统一理论模型和框架。该统一理论模型,建立了SILC特性、PBTI、TDDB可靠性之间的的本征联系,可成功解释高K/金属栅介质相关的各种可靠性特性,预测界面层按比例减小和栅介质层可靠性的折中行为。 5.研究分析了高K/金属栅介质层的低频噪声特性和BTI特性以及不同工艺制备条件下制备的HK/MG的栅介质层的体陷阱密度N1,评估了相关的BTI的退化特性。研究获得了有效评估BTI/TDDB物理起源的测试方法,以及简单、有效、非破坏性测试和评估NBTI特性的测试技术。 6.提出了关于NBTI和PBTI效应的紧凑模型,模拟和分析了45nm以下节点技术的超大规模集成电路在NBTI和PBTI共同作用下的失效和退化特性,指出了NBTI和PBTI共同作用下对电路的失效影响的规律。 本文的研究成果有助于深入理解可靠性退化的物理机制,改善超大规模集成电路中MOSFETs的可靠性特性,特别是90nm以下节点技术器件和电路的寿命预测和性能优化提供理论依据和评测方法。