氮离子注入对栅氧化层TDDB可靠性的影响

论文摘要

随着技术的不断发展,为了满足器件性能的要求,超大规模集成电路（ULSI）的栅氧化层的厚度不断的减薄,由20-30nm降至几个纳米。然而,满足器件性能要求的工作电压却不能不断下降,目前降低至1.0V已经到了瓶颈。因此,单位厚度的栅氧化层在工作时承受的电场强度越来越高,使栅氧化层的可靠性成为一个突出的问题和挑战。栅氧抗电性能不好将引起MOS器件电参数的不稳定,如阈值电压的漂移,跨导下降、漏电流增加等,进一步可引起栅氧的击穿,导致器件的失效,使整个集成电路陷入瘫痪状态。因此,提高栅氧化膜的抗击穿可靠性,包括与时间有关的击穿（TDDB）和零时击穿（TZDB）,多年来一直是超大规模集成电路可靠性研究领域关注的热点,也是限制集成度提高的重要原因。氮的离子注入经常用于提高器件性能和减少栅氧化层的漏电流,增加栅氧化层的k值,但却很少有研究专注于氮的离子注入对于TDDB的影响。本文将重点研究和分析氮在栅中的离子注入对TDDB可靠性的影响及机理。目前在学术界,对于TDDB可靠性失效的机理认同的主要有阳级氢离子释放模型（hHR）和阳极空穴注入模型（HHI）[3。本文将对TDDB可靠性对于这两种失效机理的测试方法和具体模型作详细介绍。通过研究发现,氮在栅氧化层中的离子注入可以提高N型场效应晶体管的TDDB可靠性,相应的,栅氧化层的漏电流在持续的偏压作用下也逐渐减少,并且,其减少的趋势与程度高于没有氮离子注入的栅氧化层,并且其漏电流减小的程度随着氮在栅中离子注入的能量变高而变的明显。通过进一步研究发现,氮在栅氧化层中注入提高TDDB可靠性的机理主要是因为氮在栅中扩散到栅氧化层的界面并增加了电子陷阱态数量,并且,在实验中,进一步确定了电子陷阱态密度会随着氮在栅中注入的能量的增加而增加。在这些电子陷阱态得作用下,在持续的偏压作用下的栅极氧化层中通过的的漏电流不断的减小,最终增加了TDDB的击穿时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第一节 集成电路工艺可靠性问题概述
• 第二节 本文所述内容
• 第三节 可靠性工作的内容与数学模型
• 1.3.1 可靠性的基本数学概念
• 1.3.2 工艺可靠性分析中的寿命分布模型
• 第二章 栅氧可靠性测试介绍和分析
• 第一节 栅氧可靠性测试方法分类
• 第二节 TDDB的测试方法和测试结构概述
• 2.2.1 TDDB的测试方法
• 2.2.2 TDDB的测试结构
• 第三节 栅氧击穿的分类与测试条件
• 2.3.1 栅氧击穿的分类
• 2.3.2 TDDB测试条件的选取
• 第三章 栅氧TDDB的实验过程
• 第一节 实验样本的制造工艺
• 第二节 实验中TDDB可靠性测试过程
• 3.2.1 试验仪器和环境的准备
• 3.2.2 TDDB测试算法
• 3.2.3 TDDB测试过程
• 第四章 实验结果与分析
• 第一节 TDDB测试的数据统计
• 4.1.1 实验数据
• 4.1.2 Well-bull分布统计
• 第二节 TDDB测试的数据分析
• 第三节 关于TDDB实验结果的机理模型
• 4.3.1 TDDB机理和模型
• 4.3.2 氮离子注入对TDDB的影响及机理分析
• 4.3.3 氮离子注入对TDDB隧穿电子的影响及机理分析
• 4.3.4 氮离子注入对界面陷阱电荷的影响及机理分析
• 第四节 结论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢