起落柵氧MOS器件柵泄漏電流研究.pdf

1、隨著MOS器件尺寸的縮小和柵氧化層厚度的減薄，柵泄漏變得愈發(fā)顯著，對(duì)CMOS器件和電路可靠性的影響也愈發(fā)嚴(yán)重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。本文對(duì)90nm CMOS工藝下MOSFET的柵極泄漏電流的物理機(jī)制以及相關(guān)的可靠性問(wèn)題進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的研究。本研究主要涉及兩個(gè)基本內(nèi)容：超薄柵氧MOS器件中的直接隧穿(DT)電流和DT區(qū)多種應(yīng)力下應(yīng)力感應(yīng)的柵泄漏電流(SILC)。
　　 本文首先對(duì)超薄柵氧MOS器件中的直接隧穿電流

2、進(jìn)行了研究。討論了MOS結(jié)構(gòu)的隧穿機(jī)理。對(duì)超薄柵氧MOS器件直接隧穿電流中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，包括多晶硅耗盡效應(yīng)的影響、量子效應(yīng)的影響以及隧穿電流組成成分。研究了90nm的CMOS工藝下柵氧厚度為1.4nm MOSFET的直接隧穿電流。分析了直接隧穿柵電流隨溝道長(zhǎng)度、溝道寬度、測(cè)試柵壓、漏端偏置、襯底偏置變化規(guī)律。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)90nm CMOS工藝生產(chǎn)的柵氧化層厚度為1.4nm MOSFET傳統(tǒng)關(guān)態(tài)下邊緣直接隧穿柵泄漏(EDT)進(jìn)行測(cè)試研究

3、。采用仿真的方法，研究直接隧穿柵泄漏電流對(duì)CMOS邏輯電路的影響。研究了幾種均勻應(yīng)力下超薄柵氧MOS器件退化特性及柵泄漏。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)正和負(fù)直接隧穿應(yīng)力過(guò)程中NMOS器件的SILC退化和Vth退化均存在線性關(guān)系。為了解釋直接隧穿應(yīng)力下SILC的起因，建立了一個(gè)界面陷阱和氧化層陷阱正電荷共同輔助隧穿模型。對(duì)恒定柵壓(CGV)和襯底熱電子(SHE)兩種應(yīng)力下超薄柵氧NMOS器件SILC特性和機(jī)理作了比較研究，證實(shí)了由熱電子引起的

4、氧化層擊穿與CGV應(yīng)力下的擊穿特性不同。對(duì)超薄柵氧PMOS器件襯底熱空穴(SHH)應(yīng)力下SILC特性和機(jī)理也進(jìn)行了研究。SHH應(yīng)力過(guò)程中，熱空穴注入氧化層使得Si-O鍵斷裂。Si-O鍵斷裂引起氧化層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變。損傷的積累最終導(dǎo)致氧化層擊穿。
　　 本文研究了幾種典型關(guān)態(tài)應(yīng)力下超薄柵氧MOS器件退化特性及柵泄漏。對(duì)LDD NMOSFET中的GIDL應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。利用GIDL電流去分析應(yīng)力造成的損傷。發(fā)現(xiàn)應(yīng)力前后GIDL電

5、流的變化可以分成兩個(gè)階段。在第一階段，空穴陷入氧化層起主要作用；但在第二階段，電子陷入氧化層起主要作用。這是邊緣直接隧穿和帶帶隧穿共同作用的結(jié)果。對(duì)GIDL應(yīng)力下SILC起因，提出了一個(gè)可能機(jī)理。對(duì)超短超薄LDD NMOSFET中的Snapback應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。Snapback應(yīng)力過(guò)程中雪崩熱空穴和電子同時(shí)注入柵氧化層，會(huì)產(chǎn)生界面態(tài)和大量中性電子陷阱。氧化層中的中性電子陷阱增加使得SILC增加和軟擊穿發(fā)生。研究了幾種熱載流子應(yīng)力下

6、超薄柵氧MOS器件退化特性及柵泄漏。對(duì)超短超薄LDD NMOSFET中的低柵壓(LGV)和最大襯底電流(Isub，max)應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。證實(shí)了低柵壓應(yīng)力仍然是空穴注入應(yīng)力，而最大襯底電流應(yīng)力是一種電子和空穴共同注入應(yīng)力。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)兩種應(yīng)力過(guò)程中SILC退化和Vth退化均存在線性關(guān)系。提出了兩種應(yīng)力下超短超薄NMOS器件SILC起因于界面陷阱和氧化層陷阱電荷共同作用機(jī)制。對(duì)LDD NMOSFET中的高溫溝道熱電子應(yīng)力特