纳米CMOS器件的新测量方法并用于可靠性的研究

论文摘要

CMOS器件尺寸越来越小，栅介质厚度持续减小，负偏压温度不稳定性（NBTI）成为制约器件可靠性及寿命的最主要因素之一。然而，NBTI机理一直处于争论之中。其原因一方面源于对于NBTI现象的解释各不一致，另一方面主要受限于NBTI表征方法的不足，不能得到NBTI退化的全部信息。因此，不能正确地建立NBTI机理。本论文主要系统地对比和分析了纳米CMOS器件表征方法，并发展了新的表征方法，并将这些表征方法应用于NBTI研究。在阈值电压(VTH)表征方面，论文详细分析了直流（慢的）Id-Vg测量阈值电压漂移(△VTH)存在恢复的原因，并针对Kerber等人的脉冲测量方法的不足，建立了快速脉冲Id-Vg测量（FPM），其测量时间tM达1μs，极大抑制了测量过程中的恢复效应。实验发现测量时间tM越小，△VTH越大，其结果表明NBTI测量过程中发展快速测量的重要性。在界面陷阱(NIT)表征方面，论文阐述了传统电荷泵（CCP）和直流电流电压（DCIV）方法原理、测量设置，还给出了快速DCIV测量。不同测量点数的CCP和DCIV方法测量得到的界面陷阱的产生(△NIT)是不一样的，该实验结果表明CCP和DCIV方法本身亦存在恢复效应。为了避免测量过程中的△NIT的恢复，我们发展了一种新颖的实时界面陷阱（OFIT）测量方法。论文就OFIT测量原理、仪器设置和电路实现给出了细致的分析，并运用OFIT方法对应力引起的△NIT进行了表征。我们得到的主要结果有：（1）OFIT方法测量得到的△NIT比CCP方法得到的大的多。当温度小于100℃时，△NIT的时间幂指数n呈线性增加；当温度大于100℃时，n趋于饱和值0．18。OFIT实验结果表明△NIT服从色散的H2分子扩散的R-D模型，这与CCP方法得到的Arrhenius关系不同。（2）在测量误差范围内，实验结果显示时间幂指数n与电场强度、栅介质厚度无关。（3）论文将CCP、DCIV和OFIT测量方法进行了对比，结果显示CCP方法由于存在严重恢复效应，相同NBTI应力条件下测得的△NIT最小，DCIV方法测得的△NIT次之，OFIT方法测得的△NIT最大。温度100℃时，三种方法得到的△NIT的时间幂指数n分别为0．31、0．28和0．18，n值越小表示恢复效应越小。（4）OFIT和慢的Id-Vg测量结果对比表明后者不仅存在氧化层电荷俘获△NOX的恢复而且存在界面陷阱的产生△NIT的恢复。论文还采用OFIT和FPM测量方法研究了等离子体氮化（PNO）和热氮化栅介质（TNO）pMOSFETs的NBTI特性，得到的实验结果主要有：（1）TNO和PNO器件具有相同的△NIT的时间幂指数n，即当温度小于100℃时，n随温度线性增加；当温度大于100℃，n达到饱和值0．18。界面陷阱产生的机理与氮浓度在TNO和PNO器件的栅介质中的不同分布无关，激活能EA=0．17eV。（2）对于TNO器件，采用OFIT测量得到的界面陷阱的产生和用FPM测量得到的阈值电压漂移的恢复均比PNO器件约大10％。（3）结合OFIT和FPM测量方法，可以区分界面陷阱产生和氧化层电荷俘获引起的阈值电压漂移△VTHIT和△VTHOX。对于PNO器件，NBTI退化主要来自界面陷阱的产生；对于TNO器件而言，氧化层电荷俘获对NBTI退化起主要作用。（4）我们也对比了TNO和PNO器件的快速瞬态阈值电压漂移与应力电压的关系，其结果显示TNO器件由于较大△VTHOX和△VTHIT，其总的NBTI退化要比PNO器件大的多。对于TNO器件而言，当栅压在2V或靠近工作电压时，EOT=3．5nm，1000秒后△VTH仍有30mV左右的退化，而对于PNO器件而言，△VTH在10mV以内。此外，第一性原理计算表明：对TNO器件而言，以氮为空穴俘获中心较之以氧为空穴俘获中心更容易在Si／SiON界面处俘获空穴而形成较大的电矩。这些结论对工艺的改进和器件性能的提高将起到指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 栅氧化层减薄的限制
• 1.3 栅介质可靠性问题
• 1.3.1 经时击穿（TDDB）
• 1.3.2 热载流子效应（HCE）
• 1.3.3 负偏压温度不稳定性（NBTI）
• 1.4 目前NBTI研究存在的问题及本论文主要工作
• 参考文献
• 第二章 阈值电压的直流和快速测量方法
• 2.1 引言
• d-V_g测量'>2.2 直流（DC）I_d-V_g测量
• d-V_g测量方法'>2.3 快速I_d-V_g测量方法
• 2.4 不同测量时间的阈值电压漂移
• 2.5 其它快速测量方法
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 直流电流电压（DCIV）测量及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 DCIV测量原理
• 3.3 DCIV表征等离子体氮化栅介质pMOSFETs
• 3.4 快速DCIV测量
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 传统电荷泵和On-the-fly Interface Trap表征方法
• 4.1 引言
• 4.2 传统电荷泵测量方法
• 4.2.1 电荷泵测量的设置
• 4.2.2 三种脉冲测量的扫描模式
• 4.2.3 电荷泵方法测量原理
• em,h和E_em,e'>4.2.4 非稳态动力学—E_em,h和E_em,e
• 4.3 On-the-fly Interface Trap表征技术
• 4.3.1 OFIT测量原理及电路实现
• 4.3.2 OFIT测量方法表征界面陷阱的产生
• 4.3.3 OFIT方法与其它表征方法测量结果的比较
• TH中△V_TH^IT和△V_<sup>TH^OX的区分'>4.3.4 阈值电压漂移△V_TH中△V_TH^IT和△V_<sup>TH^OX的区分
• 4.4 反应-扩散模型（R-D model）
• 4.5 本章小节
• 参考文献
• 第五章 热氮化和等离子体氮化栅介质pMOSFETs NBTI研究
• 5.1 引言
• 5.2 器件制备和测量
• 5.3 界面陷阱的产生
• 5.3.1 PNO和TNO器件的界面陷阱产生的比较
• 5.3.2 界面陷阱的恢复比例
• 5.3.3 有无界面陷阱恢复?
• 5.3.4 界面陷阱产生机理
• 5.3.5 界面陷阱产生的激活能
• d-V_g测量'>5.4 NBTI退化慢的I_d-V_g测量
• 5.5 界面陷阱产生和氧化层陷阱电荷的区分
• d-V_g测量'>5.5.1 不同温度的快速脉冲I_d-V_g测量
• d-V_g测量的电压应力关系'>5.5.2 快速脉冲I_d-V_g测量的电压应力关系
• TH中△V_TH^IT和△V_TH^OX的区分'>5.5.3 PNO和TNO器件NBTI退化△V_TH中△V_TH^IT和△V_TH^OX的区分
• 5.6 第一性原理计算
• 5.6.1 量子化学Gaussian 03W计算软件
• 5.6.2 其它小组第一性原理计算
• 5.6.3 密度泛函理论研究NBTI
• 5.7 本章小节
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 博士期间论文发表情况
• 致谢