国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

寬度和長(zhǎng)度縮減對(duì)體硅和SOI n MOSFETs熱載流子效應(yīng)的影響*

2014-03-23 06:02:58池雅慶劉蓉容陳建軍
關(guān)鍵詞:載流子襯底空穴

池雅慶,劉蓉容,陳建軍

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410073;2.電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510610)

1 引言

熱載流子效應(yīng)HCE(Hot Carrier Effect)是n MOSFETs退化的一個(gè)重要原因[1]。隨著器件尺寸的不斷縮小,器件內(nèi)部的溝道場(chǎng)強(qiáng)和氧化層場(chǎng)強(qiáng)增加,使得熱載流子效應(yīng)增強(qiáng)[2,3];而現(xiàn)在工藝廣泛采用STI隔離技術(shù),這種STI結(jié)構(gòu)的短寬度器件的熱載流子效應(yīng)將會(huì)更加嚴(yán)重[4]。在深亞微米工藝下,熱載流子效應(yīng)導(dǎo)致的退化越來越引起學(xué)者們的關(guān)注。

幾十年來,人們對(duì)熱載流子效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的爭(zhēng)議主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一是電子和空穴的作用。最開始人們認(rèn)為是電子而不是空穴產(chǎn)生了界面陷阱[5],而隨后的一些研究小組則認(rèn)為空穴是界面陷阱產(chǎn)生的主要原因[6,7],現(xiàn)在更為廣大研究者所認(rèn)可的觀點(diǎn)是,空穴和電子都會(huì)影響界面態(tài)的產(chǎn)生[8,9]。二是Si-H和Si-O鍵的斷裂機(jī)理。在硅和氧化層的界面處,存在大量的Si-H鍵和Si-O鍵,目前對(duì)于Si-H鍵和Si-O鍵是如何斷裂的尚存在爭(zhēng)議,一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為Si-O鍵的斷裂需要能量比較高的熱空穴的參與,Si-H鍵的斷裂則更多與熱電子有關(guān),而且與Si-H鍵的斷裂不同的是,Si-O鍵斷裂之后基本上不會(huì)退火。

目前,國(guó)際國(guó)內(nèi)在熱載流子效應(yīng)的結(jié)構(gòu)相關(guān)性上有一定的研究,但是沒有系統(tǒng)地比較體硅和SOI工藝下熱載流子效應(yīng)結(jié)構(gòu)相關(guān)性的異同,并且隨著對(duì)熱載流子效應(yīng)研究的深入,對(duì)于熱載流子效應(yīng)結(jié)構(gòu)相關(guān)性的研究也有利于進(jìn)一步深入全面地認(rèn)識(shí)熱載流子退化的機(jī)理。本文基于體硅和SOI兩種工藝下的n MOSFETs,研究了寬度和長(zhǎng)度的減小對(duì)熱載流子退化的影響,并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)熱載流子效應(yīng)的機(jī)理提出了自己的見解和認(rèn)識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

測(cè)試器件采用0.5μm PD SOI CMOS工藝和0.18μm標(biāo)準(zhǔn)體硅CMOS工藝下的n MOSFETs,采用STI隔離。SOI器件的柵氧厚度是12.5 nm,體硅器件的柵氧厚度是3.7 nm,柵氧都經(jīng)過N2O氮化退火處理。

實(shí)驗(yàn)中,選擇Idlin作為退化參數(shù),應(yīng)力和參數(shù)測(cè)試使用HP4156C高精度半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試分析儀進(jìn)行。測(cè)試時(shí),選擇Vg=Vd/2,此時(shí),溝道中會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的碰撞電離。源端和襯底接地,PD SOI器件漏端電壓為Vd=6 V,柵電壓為Vg=3 V;體硅器件漏端電壓為Vd=5 V,柵電壓為Vg=2.5 V。應(yīng)力時(shí)間為1 000 s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

3.1 溝道長(zhǎng)度變化對(duì)熱載流子效應(yīng)的影響

如圖1和圖2所示,體硅和SOI工藝下,溝道長(zhǎng)度L縮小對(duì)熱載流子效應(yīng)的影響效果一致,即在相同的退化時(shí)間下,隨著溝道長(zhǎng)度的縮小,熱載流子的退化越來越嚴(yán)重。對(duì)于不同的器件,熱載流子的退化均隨著退化時(shí)間呈現(xiàn)出冪函數(shù)的分布規(guī)律。

Figure 1 Effect of channel length on hot carrier effect degradation in bulk CMOS process,here channel width(W)is 1.0μm圖1 體硅工藝下溝道長(zhǎng)度變化對(duì)熱載流子退化的影響這里溝道寬度(W)是1.0微米

Figure 2 Effect of channel length on hot carrier effect degradation in SOI CMOS process圖2 SOI工藝下溝道長(zhǎng)度變化對(duì)熱載流子退化的影響

熱載流子效應(yīng)是通過產(chǎn)生界面態(tài)陷阱和氧化層電荷陷阱而導(dǎo)致n MOSFETs器件退化的。在硅/氧化層界面處,存在著大量的Si-H鍵和Si-O鍵,當(dāng)Vg=Vd/2時(shí),溝道中會(huì)發(fā)生碰撞電離,產(chǎn)生熱空穴和熱電子,能量比較高的熱電子和熱空穴會(huì)破壞Si-H和Si-O鍵[10],從而導(dǎo)致界面態(tài)陷阱的增加,使器件退化。

隨著溝道長(zhǎng)度L的減少,溝道中的水平電場(chǎng)強(qiáng)度增加,導(dǎo)致碰撞電離產(chǎn)生的熱空穴和熱電子數(shù)量增加,增加的熱空穴和熱電子會(huì)破壞更多的Si-O鍵和Si-H鍵,界面態(tài)陷阱會(huì)隨之增加,這最終使器件的退化越來越嚴(yán)重。

為了證明熱電子和熱空穴的數(shù)量會(huì)隨著溝道長(zhǎng)度L的減少而增加,本文測(cè)試了不同長(zhǎng)度n MOSFETs下的襯底電流密度。對(duì)于n MOSFETs來說,碰撞電離產(chǎn)生的熱空穴引起襯底電流的增加,而熱電子會(huì)引起柵電流的增加,所以監(jiān)測(cè)襯底電流可以看出碰撞電離產(chǎn)生的熱空穴的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示,在SOI工藝下,隨著溝道長(zhǎng)度L的減少(L從1.0μm下降到0.5μm),襯底電流密度在不斷增加;在標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝下,隨著溝道長(zhǎng)度L的減少(L從0.5μm下降到0.22 μm),襯底電流密度也在不斷增加,這證明了兩種工藝下n MOSFETs寬度越小,熱載流子退化越嚴(yán)重的原因。圖5進(jìn)一步給出了體硅工藝下柵電流隨L的變化情況,從圖中也可以看到,隨著溝道長(zhǎng)度L的減少,柵電流密度也在不斷增加。

Figure 3 Substrate current versus channel length in SOI CMOS process圖3 SOI工藝下襯底電流隨溝道長(zhǎng)度的變化

Figure 4 Substrate current versus channel length in bulk CMOS process圖4 體硅工藝下襯底電流隨溝道長(zhǎng)度的變化

一般來說,隨著溝道長(zhǎng)度L的減少,熱載流子退化的時(shí)間指數(shù)n既可能增加也可能減少。這主要取決于斷裂的Si-H和Si-O鍵的相對(duì)增值[11]。Si-O鍵的時(shí)間指數(shù)比Si-H鍵的大,所以如果Si-O鍵斷裂的相對(duì)增值比較大,時(shí)間指數(shù)n會(huì)增加;相反,如果相對(duì)增值較小,n會(huì)減小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,隨著溝道長(zhǎng)度L的縮小,Si-O鍵的相對(duì)增值較小,所以時(shí)間指數(shù)隨著L的縮小而減小。

Figure 5 Gate current versus channel length in bulk CMOS process圖5 體硅工藝下柵電流隨溝道長(zhǎng)度的變化

3.2 溝道寬度變化對(duì)熱載流子效應(yīng)的影響

圖6和圖7是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體硅CMOS工藝和PD SOI CMOS工藝下的n MOSFETs所做的關(guān)于寬度減少對(duì)熱載流子效應(yīng)影響的Idlin曲線。從圖中可以看出,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)體硅CMOS工藝下的n MOSFETs,寬度W減少,熱載流子效應(yīng)有所緩解;而在PD SOI工藝下,隨著寬度W的減小,熱載流子效應(yīng)卻更加嚴(yán)重。

Figure 6 Effect of channel width on hot carrier effect degradation in bulk CMOS process圖6 標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝下溝道寬度變化對(duì)熱載流子退化的影響

Figure 7 Effect of channel width on hot carrier effect degradation in SOI CMOS process圖7 PD SOI工藝下溝道寬度變化對(duì)熱載流子退化的影響

Figure 8 Layout of n MOSFETs in tow different process圖8 兩種工藝下n MOSFETs的版圖結(jié)構(gòu)

之所以出現(xiàn)上述不一致的結(jié)果,主要是體硅和SOI工藝下器件的版圖結(jié)構(gòu)不同,體硅和SOI工藝下的體引出的不同,導(dǎo)致了兩種工藝下器件的結(jié)構(gòu)有很大的變化。圖7a和圖7b是PD SOI工藝和標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝下n MOSFETs的版圖結(jié)構(gòu)。由于SOI工藝器件的邊緣處有體引出結(jié)構(gòu),導(dǎo)致SOI工藝下器件邊緣的垂直電場(chǎng)比器件中間電場(chǎng)大,而體硅工藝器件的邊緣處比較對(duì)稱,所以體硅工藝下器件的邊緣垂直電場(chǎng)比器件中間電場(chǎng)要小。

對(duì)于寬度小的n MOSFETs而言,STI邊沿附近的面積所占總面積比例較大[12]。由于標(biāo)準(zhǔn)體硅n MOSFETs的邊緣垂直電場(chǎng)強(qiáng)度比中間部分的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度小,所以器件總的垂直電場(chǎng)減小,碰撞電離產(chǎn)生的熱空穴在邊沿處的影響變小,這會(huì)使得器件退化越來越不嚴(yán)重。與標(biāo)準(zhǔn)體硅n MOSFETs不同的是,SOI n MOSFETs的邊緣垂直電場(chǎng)強(qiáng)度比中間部分的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度要大,隨著W的減少,STI邊沿附近的面積所占總面積比例較大,所以器件總的垂直電場(chǎng)增加,使得碰撞電離產(chǎn)生的熱空穴在邊緣處的影響變大,器件退化更加嚴(yán)重。

4 結(jié)束語

在溝道長(zhǎng)度和寬度不斷縮小的情況下,熱載流子效應(yīng)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的現(xiàn)象。本文針對(duì)體硅和SOI兩種工藝下的n MOSFETs,研究了溝道長(zhǎng)度和寬度減小對(duì)熱載流子效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在兩種工藝下,熱載流子的退化均隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增強(qiáng);然而,寬度的減小對(duì)兩種工藝熱載流子退化的影響卻截然不同:體硅工藝下器件的熱載流子退化隨寬度的減小而增強(qiáng),SOI工藝下器件的熱載流子退化隨寬度的減小而減小。本文研究表明,熱載流子效應(yīng)與工藝密切相關(guān),而且與版圖結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于深亞微米下,集成電路設(shè)計(jì)中器件工藝尺寸和版圖結(jié)構(gòu)的選擇有一定的指導(dǎo)意義。

[1] Ning T H.1μm MOSFET VLSI technology:Part IV-h(huán)ot electron design constraints[J].IEEE Transactions on Electron Devices,1979,26(4):346-353.

[2] Chung J E,Jeng M,Moon J E,et al.Low-voltage hot-electron currents and degradation in deep-submicrometer MOSFET’s[J].IEEE Transactions on Electron Devices,1990,37(7):1651-1657.

[3] Zhao S P,Taylor S,Eccleston W,et al.Oxide degradation study during substrate hot electron injection[J].Microelectronic Engineering,1993,22(1-4):259-272.

[4] Nishigohri M,Ishimaru K,Takahashi M,et al.Anomalous hot-carrier induced degradation in very narrow channel n MOSFET’s with STI Structure[C]∥Proc of International Electron Devices Meeting,1996:881-884.

[5] Hu C.Lucky electron model of channel hot electron emission[C]∥Proc of International Electron Devices Meeting,1979:22-25.

[6] Takeda E,Shimizu A,Hagiwara T.Role of hot-h(huán)ole injection in hot-carrier effects and the small degraded channel region in MOSFETs[J].IEEE Electron Device Letters,1983,4(9):329-331.

[7] Heremans P,Bellens R,Groeseneken G,et al.Consistent model for the hot carrier degradation in n-channel and pchannel MOSFETs[J].IEEE Transactions on Electron Devices,1988,35(12):2194-2209.

[8] Saha D,Varghese D,Mahapatra S.Role of anode hole injection and valence band hole tunneling on interface trap generation during hot carrier injection stress[J].IEEE Electron Device Letters,2006,27(7):585-587.

[9] Sun B,Shi G A,Nageswara S V S,et al.Vibrational lifetimes and frequency-gap law of hydrogen bending modes in semiconductors[J].Physical Review Letters,2006,96(3):035501.

[10] Varghese D,Mahapatra S,Alam A.Hole energy dependent interface trap generation in MOSFET Si/SiO2 interface[J].IEEE Electron Device Letters,2005,26(8):572.

[11] Mahapatra S,Saha D,Varghese D,et al.On the generation and recovery of interface traps in MOSFETs subjected to NBTI,F(xiàn)N and HCI stress[J].IEEE Transactions on E-lectron Devices,2006,53(7):1583-1591.

[12] Lee Y-H,Wu K,Linton T,et al.Channel-width dependent hot-carrier degradation of thin gate p MOSFETs[C]∥Proc of IEEE 38th Annual International Reliability Physics Symposium,2000:77.

猜你喜歡
載流子襯底空穴
空穴效應(yīng)下泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料熱性能數(shù)值模擬
Cd0.96Zn0.04Te 光致載流子動(dòng)力學(xué)特性的太赫茲光譜研究*
Sb2Se3 薄膜表面和界面超快載流子動(dòng)力學(xué)的瞬態(tài)反射光譜分析*
噴油嘴內(nèi)部空穴流動(dòng)試驗(yàn)研究
基于MoOx選擇性接觸的SHJ太陽電池研究進(jìn)展
硅襯底LED隧道燈具技術(shù)在昌銅高速隧道中的應(yīng)用
大尺寸低阻ZnO單晶襯底
利用CASTEP計(jì)算載流子有效質(zhì)量的可靠性分析
大尺寸低阻ZnO 單晶襯底
大尺寸低阻ZnO 單晶襯底
镇康县| 华池县| 昌宁县| 乌兰浩特市| 讷河市| 海安县| 赫章县| 上犹县| 清水县| 抚松县| 诸城市| 汕尾市| 通化县| 荥阳市| 日照市| 仪陇县| 朝阳县| 津南区| 海门市| 尚义县| 呼和浩特市| 清河县| 共和县| 蓬溪县| 海阳市| 民勤县| 南城县| 肃南| 商水县| 北票市| 临桂县| 江都市| 扎囊县| 友谊县| 濮阳市| 沾化县| 华宁县| 石河子市| 昭苏县| 泾阳县| 微山县|