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CMOS器件和電路可靠性的影響也愈發(fā)嚴重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。本文對90nm CMOS工藝下MOSFET的柵極泄漏電流的物理機制以及相關的可靠性問題進行了深入和系統(tǒng)的研究。本研究主要涉及兩個基本內容：超薄柵氧MOS器件中的直接隧穿(DT)電流和DT區(qū)多種應力下應力感應的柵泄漏電流(SILC)。
　　 本文首先對超薄柵氧MOS器件中的直接隧穿電流

2、進行了研究。討論了MOS結構的隧穿機理。對超薄柵氧MOS器件直接隧穿電流中的相關問題進行了討論，包括多晶硅耗盡效應的影響、量子效應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度、溝道寬度、測試柵壓、漏端偏置、襯底偏置變化規(guī)律。對標準90nm CMOS工藝生產的柵氧化層厚度為1.4nm MOSFET傳統(tǒng)關態(tài)下邊緣直接隧穿柵泄漏(EDT)進行測試研究

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

4、氧化層擊穿與CGV應力下的擊穿特性不同。對超薄柵氧PMOS器件襯底熱空穴(SHH)應力下SILC特性和機理也進行了研究。SHH應力過程中，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)絡結構的改變。損傷的積累最終導致氧化層擊穿。
　　 本文研究了幾種典型關態(tài)應力下超薄柵氧MOS器件退化特性及柵泄漏。對LDD NMOSFET中的GIDL應力特性進行了研究。利用GIDL電流去分析應力造成的損傷。發(fā)現(xiàn)應力前后GIDL電

5、流的變化可以分成兩個階段。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果。對GIDL應力下SILC起因，提出了一個可能機理。對超短超薄LDD NMOSFET中的Snapback應力特性進行了研究。Snapback應力過程中雪崩熱空穴和電子同時注入柵氧化層，會產生界面態(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力下

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