90nm CMOS器件强场可靠性研究

论文摘要

当集成电路工艺进入到90nm节点以后,器件的可靠性问题将成为延缓集成电路加工水平沿着Moore定律继续延伸的主要困难之一。研究已经发现在90nm工艺中,无论是NMOS器件还是PMOS器件,大多数的可靠性问题都在加剧,除了尺寸减小导致电场增强因素,工艺的改进也会增加新的可靠性问题。本论文主要对90nm工艺中的超薄栅、超短沟道器件的强场可靠性问题进行了研究,并分析了它们导致器件性能退化和寿命缩短的机理。论文主要研究工作和成果如下：论文首先对超薄栅氧化层在电压应力下的退化和失效机理进行了研究。在栅氧化层的厚度为1.4nm时,栅氧的可靠性问题变得更加复杂。这表现在采用现有TDDB模型预测的栅氧化层寿命变长,但这个过程中出现的软击穿同样会导致器件性能的退化,这是由于对于这个厚度的栅氧化层,隧穿导致栅电流增加,能量很难在栅氧化层中的局部区域聚集,发生栅的热击穿就比较困难。因此,对于栅氧小于这个厚度的器件,我们不能采用以前的TDDB方法来评估器件寿命。NMOS器件的热载流子（HC）效应在90nm工艺节点下没有改善的趋势,相反,在横向和纵向电场都增强的情况下,热载流子对器件性能的退化更加严重。通过实验我们发现,对于沟道长度小于90nm的器件,器件的最坏热载流子应力条件由早期的Vg=Vd／2变为Vg=Vd,而导致器件在热载流子应力下性能退化的主要原因不仅仅是耗尽区中碰撞产生的幸运载流子,栅／漏交叠区的界面损伤和栅氧化层的软击穿都会加剧热载流子效应。在对不同器件结构和不同温度条件下NMOS器件的热载流子效应研究中我们还发现,热载流子效应对于器件的线性区电流特性的影响比饱和区大,而且随着器件温度的增加,热载流子效应有改善的趋势。根据不同的动态应力条件,器件的热载流子效应可能是改善,也可能是加剧,但其退化量最终都会趋于在直流应力下的退化量。PMOS器件的负偏置温度不稳定性（NBTI）效应在90nm节点后也会越来越严重,这种效应导致PMOS器件的性能退化要远远大于PMOS器件热载流子效应所造成的退化,因此,对PMOS的可靠性研究主要集中在NBTI效应上。研究NBTI应力下器件的退化现象和机理,有助于通过改进工艺来改善PMOS器件的NBTI效应。实验发现,随着器件沟道长度的减小,器件的NBTI效应增强,这个增强的过程主要出现在应力最初阶段。同NMOS器件的热载流子效应相反,PMOS器件的NBTI效应会随着温度的升高而增强,退化同温度的关系服从指数规律。动态应力条件下,由于存在Si-悬挂键的钝化过程,PMOS器件的退化要比直流应力条件下的退化小。90nm工艺中,Plasma（等离子体）对器件造成的潜在损伤依然存在,这会导致器件的HC效应和NBTI效应增强。提高器件的可靠性,一方面需要从加工工艺上改进,另一方面需要提出新的器件结构。槽栅器件能够从结构上提高器件的可靠性,对DIBL效应的抑制尤其明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 90nm CMOS器件的可靠性问题研究
• 1.2.1 90nm工艺技术下CMOS器件的特性
• 1.2.2 90nm器件的强电场可靠性问题
• 1.3 本论文的研究内容
• 1.3.1 试验样品的制备
• 1.3.2 论文的研究工作
• 第二章 超薄栅氧化层的击穿特性
• 2.1 栅氧化层的击穿模型
• 2.2 氧化层的栅电流模型和TDDB寿命模型
• 2.2.1 栅氧化层的电流模型
• 2.2.2 栅氧化层的TDDB模型
• 2.2.3 软击穿（SBD）和硬击穿（HBD）
• 2.3 超薄栅氧化层介质的特点
• 2.3.1 厚度减小引起势垒降低
• 2.3.2 超薄栅氧化层对器件性能的影响
• 2.3.3 超薄栅氧化层的可靠性测量
• 2.3.4 超薄栅氧化层的C-V特性
• 2.4 超薄栅氧化层的瞬时击穿特性
• 2.4.1 栅氧厚度对V-Ramp特性的影响
• 2.4.2 超薄栅氧化层的电流模型
• 2.4.3 温度对隧穿电流的影响
• 2.5 超薄栅氧化层的TDDB特性
• 2.5.1 恒定电压应力（CVS）下中断应力测量
• 2.5.2 CVS应力过程中软击穿和硬击穿现象
• 2.5.3 TDDB应力条件下栅氧化层的寿命预测
• 2.5.4 影响TDDB特性的主要因素
• 2.6 本章小结
• 第三章 超短沟道NMOS器件的HC效应研究
• 3.1 MOS器件中的热载流子效应
• 3.1.1 热载流子（HC）效应
• 3.1.2 HC应力条件下沟道电场模型器件的寿命模型
• 3.1.3 样品的制备和实验
• 3.2 HC最坏应力条件研究
• 3.2.1 大尺寸器件的最坏HC应力条件
• 3.2.2 超短沟道器件的HC最坏应力条件
• 3.3 NMOS中HC应力对器件性能的影响
• 3.3.1 HC应力对超短沟道器件特性的影响
• 3.3.2 超短沟道NMOS在HC应力下的退化机理
• 3.3.3 结构参数对HC效应的影响
• 3.3.4 高温下NMOS的热载流子退化
• 3.3.5 HC效应下NMOS器件寿命模型
• 3.4 动态应力条件下HC效应研究
• 3.4.1 脉冲应力条件下器件的HC退化
• 3.4.2 交替应力条件下NMOS的热载流子退化效应
• 3.5 本章小结
• 第四章 PMOS器件的NBTI效应研究
• 4.1 NBTI效应的研究背景
• 4.1.1 NBTI效应
• 4.1.2 NBT应力和PBT应力
• 4.1.3 研究PMOS器件的NBTI效应的意义
• 4.1.4 NBTI效应研究的现状
• 4.1.5 NBTI的实验及研究方案
• 4.2 NBT应力造成器件性能退化及退化模型
• 4.2.1 NBT应力对器件Ⅰ-Ⅴ特性的影响
• 4.2.2 沟道长度对NBTI效应的影响
• 4.2.3 应力电压对器件的性能影响
• 4.2.4 温度对器件NBTI效应的影响
• 4.3 NBTI的退化模型和退化机理
• 4.3.1 NBTI效应导致器件性能退化的机理
• 4.3.2 氢动力学模型
• 4.3.3 电化学反应模型
• 4.3.4 R-D模型的建立
• 4.4 动态NBTI效应研究
• 4.4.1 DNBTI研究及实验方案
• 4.4.2 交替应力下PMOS器件的退化效应
• 4.4.3 脉冲NBT应力条件下器件性能的退化
• 4.5 影响NBTI的主要因素以及抑制NBTI的方法
• 4.5.1 P2ID导致器件的NBTI效应增强
• 4.5.2 工艺中氢（H）对PMOS器件的NBTI效应影响
• 4.5.3 栅氧化层中的氮（N）对NBTI效应的影响
• 4.5.4 其它影响NBTI效应的因素
• 4.6 本章小结
• 第五章 Plasma工艺对器件的损伤研究
• 5.1 微电子工艺中的Plasma
• 5.1.1 等离子体的概念及其特点
• 5.1.2 等离子体在半导体工艺中的应用
• 5.1.3 等离子体工艺的损伤（P2ID）
• 5.2 Plasma对超薄栅特性的影响
• 5.2.1 Plasma对栅氧化层的损伤机理
• 5.2.2 工艺中Plasma对超薄栅氧化层的损伤
• 5.3 P2ID对器件性能的潜在影响
• 5.3.1 P2ID对NMOS器件HC效应的影响
• 5.3.2 P2ID对PMOS器件的NBTI影响
• 5.3.3 芯片位置对P2ID的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 槽栅CMOS器件的研制
• 6.1 槽栅器件提出背景
• 6.2 槽栅器件的结构和特点
• 6.2.1 槽栅器件的结构及其特点
• 6.2.2 槽栅器件对DIBL效应的抑制
• 6.3 槽栅器件的加工
• 6.3.1 槽栅器件的加工流程
• 6.3.2 器件的测量和分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 论文期间研究成果