深亚微米LDD MOSFET器件热载流子效应研究（可编辑）

深亚微米深亚微米 LDDLDD MOSFETMOSFET 器件热载流子效应研究器件热载流子效应研究西安电子科技大学硕士学位论文深亚微米 LDD MOSFET 器件热载流子效应研究姓名:饶伟申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:柴常春20090101 摘要摘要随着制造技术向深亚微米方向快速发展,热载流子效应导致了电路系统的可靠性问题。本文所研究的 器件是深亚微米器件可靠性加固的理想结构,能够有效抑制热载流子效应。本论文在典型短沟器件模型基础上建立了适用于深亚微米的简捷模型。从热载流子的产生和注入机制入手,分析了在不同偏置下的热载流子效应,并且在幸运电子模型的基础上导出了栅电流模型。重点分析了衬底电流的机理,在.特性模型的基础上建立了适用于 器件的衬底电流模型,其中对特性长度这一非常重要的参数做了改进描述,使之更适合分析薄栅深亚微米器件的衬底电流特性。本论文对器件进行了仿真分析,探讨了 器件工艺参数对热载流子效应的影响。提出了 器件热载流子退化的物理解释,并进行了和应力条件研究。最后通过对 延伸结构,的热载流子研究,展开探讨了不同器件结构对器件可靠性的影响。关键词:热载流子效应衬底电流模型可靠性,.?.?.?,.?,.?,.:.创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果:也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。本人签名:监整难关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后,发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定本人签名:日期导师签名:;料第一章绪论第一章绪论工艺技术进入到深亚微米阶段,器件沟道的有效长度小于.,器件的高集成度和超薄的栅极氧化层使得器件能提供更好的性能。然而,使用先进工艺技术制造的器件由于器件沟道的缩短和栅极氧化层的变薄将会带来一系列的可靠性的问题。随着器件沟道长度的减小,沟道中的有效电场会急剧增大,使得沟道中的电离碰撞几率增加,导致更多的热载流子的注入。随着器件尺寸的减小,热载流子注入的可靠性问题被广泛的讨论,己经成为一个主要的可靠性问题。.研究背景随着制造技术向深亚微米方向快速发展,器件尺寸不断地缩小,为了与外电路系统匹配和减小延迟的需要,工作电压并未能随之等比例减小,这就导致了沟道区的横向和纵向电场显著增大。载流子在高电场中获得足够的能量,形成热载流子的几率大大增加。这些高能载流子在器件沟道中能够翻越界面势垒注入栅氧,在.界面产生界面态,或被栅氧化层中的电荷陷阱俘获,导致器件性能降低阈值电压漂移,跨导降低,饱和电流退化等,电路性能随着时间逐渐退化。有研究表明,深亚微米器件.在漏偏置电压低于.时,仍会出现热载流子退化现象【,】。因此即使器件的工作电压大幅度降至,仍不足以有效地防止热载流子引入的器件损伤,热载流子效应己成为限制电路寿命及最大器件密度的最主要因素之一,所以必须高度重视对深亚微米器件中热载流子效应的研究。热载流子效应所致的电路系统的可靠性是器件的长期失效问题,它是一种积累过程。随着集成电路技术向深亚微米方向的发展,器件内的热载流子效应所产生的氧化层或沟道表面的损伤尺度占沟道总尺度的比例也迅速增加,所引起的器件参数或特性的变化量也变得明显起来。因此热载流子效应己成为新工艺评估所必须考虑的因素。不仅如此,热载流子效应纳入器件设计过程,成为器件设计规则之一已是必然的趋势巧】。在对热载流子效应的研究中,主要关心的问题是热载流子效应引起的器件特性,如阈值电压,跨导,栅电流和衬底电流,线性和饱和区漏电流等的变化量,并由此估计热载流子效应对器件寿命的限制。热载流子效应的研究动力是寻求能削弱热载流子效应的新型器件结构。通过设计新的工艺和进行工艺优化,改进器件几何结构和掺杂剖面,实现对器件的热载流子效应的加固,保证系统的长期可靠性。深亚微米 器件热载流子效应研究.国内外研究状况超大规模集成电路技术是现代信息产业的基础,带动信息产业的各个领域发生了革命性变化。微电子工艺技术的不断发展已经推动着超大规模集成电路进入了一个新的发展阶段:商用化的微处理器已经达到万个晶体管的集成度,集成电路大规模己经达到了晶圆上的生产工艺水平,目前工艺正在趋向实用化,预计到年,特征尺寸为的电路将投入批量生产。而高密度、高性能和高可靠性是发展的主要方向,一方面是朝着大规模集成度发展,使器件和电路的性能得到提高。另一方面,可靠性问题已成为发展和应用中的重要考虑因素,随着航空、航天技术的应用以及军用、民用等复杂电子装备向微型化、高集成化、多功能化方向的迅猛发展,人们对的质量和可靠性提出了更高的要求,在某些领域,器件与电路可靠性己经成为了首要的技术指标【】。目前国际上热载流子效应的研究内容主要有以下几个方面:热载流子及其产生陷阱的确认和建摸。各种陷阱电荷的能量分布和空间分布与时间的关系。深亚微米器件和电路的退化在静态和动态应力下所呈现的独特特性以及相应的模型建立。寻找能够削弱热载流子效应的新器件结构和电路设计方法,即通过设计新的工艺条件改进器件几何结构和掺杂剖面。优化电路结构的设计,对现有的器件结构和电路实现抗热载流子加固,以保证系统的长期可靠性。例如:深亚微米的糟栅结构可以有效地抑制热载流子的影响。电路结构的选择也是决定热载流子退化的关键因素。因而在大规模电路中先找到退化的关键电路单元,然后进行可靠性加固设计是热载流子效应的研究成果走向量产的关键。近年来,大量的研究工作都集中于相关模型的建立、器件参数的精确提取、模型精度的提高及模型的实用性等领域。随着器件尺寸的缩小,热载流子效应对器件性能的影响愈来愈显著,因此能有效地抑制这一效应的轻掺杂漏工艺己经成为小尺寸的标准工艺技术,但随之而来的就是源漏轻掺杂区掺杂浓度通常比重掺杂欧姆接触区低两个数量级引起的寄生串联电阻和寄生电容的增加,这会使器件的输出电流和频率特性有所下降。同时,这种结构的小尺寸在沟长调制旧、漏致势垒降低、载流子速度饱和等诸多效应方面与传统结构的短沟器件有着明显的区别,这就增加了器件建模的复杂性。近年来,许多的研究大都采用基于器件参数精确提取的建模方法,这些方法在模型中起到了重要的作用。但有些场合为了迸一步增加 的模型精度,不可避免地要加入更多的拟合参数,而往往这些拟合参数缺乏器件物理机理的支持。目前,二维和三维数值模拟器也在不断的研发中,它在器件级的模拟第一章绪论上是有优势的,适合于器件结构、特殊器件机理的验证分析,而对于电路级的设计不太适用,因为它需要巨大的计算量。近年来己开发出的许多模型中,从数值模型到拟合模型,在不同的场合都体现出各自不同的优势,并衍生出许多建模方法,应用于不同的器件需求。其中简捷模型可以很好地平衡器件的物理分析精度和模拟运算速度之间的矛盾,因为它即可以利用经验参数的描述又可以依托器件物理分析,人们可以很便捷地将器件结构和工艺引起的特殊因素引入模型,因此它已成为被广泛接受的实用模型。近年来,最具代表性的模型在分析小尺寸器件方面己得到广泛的认可,而其发展的高级版本系列模型则更全面地考虑了短沟效应的影响,使模型的合理性大大提高。.研究意义随着技术的进步,半导体器件从分立走向集成,从发展到。现在已可将近亿个器件集成在一块芯片上,由于器件尺寸不断缩小使得器件数量不断增加,改进了电路功能,与此同时电路日趋复杂,电路以及系统失效的概率就愈大。由于热载流子效应带来的器件可靠性问题愈加严重,它们在电应力作用下造成其性能和可靠性下降。因此,如何从器件的原理和结构出发,通过对半导体器件和集成电路的工作状态、工作原理、结构特点等进行热载流子分析研究,对器件可靠性的提高有重要的意义和作用。目前超深亚微米漏极工程器件的建模及可靠性的研究仍是一个热点。虽然至今国外对这些问题的研究已经取得了一定的成果,但是从整体上来说仍处于不断研究探索的阶段,研究器件结构和工作条件变化对可靠性的影响尚不成熟,还需要进一步作深入的研究。热载流子引起的退化己经成为限制尺寸等比例缩小的最重要的可靠性问题之一。人们在近二十年里一直对此保持着广泛的研究兴趣,尝试着通过对基本结构的新颖改进延长器件的工作寿命。至今,己经取得了很大成效的一个方法就是轻惨杂漏结构【】。近来的研究显示,与相应的常规器件相比表现出不同的退化特性】。对于常规器件,建立的如线性漏电流、最大跨导等参数的退化与时间的幂指数律关系己经得到公认,并且与界面态的产生很好地联系起来,认为它的退化主要源自载流子迁移率的减小。已建立的基于幕指数律的半经验寿命预测模型,能够准确评估正常工作电压下的热载流子可靠性。然而,在 的情况下,普遍观察到热载流子引起退化的饱和趋势,即线性漏电流的退化显示出随时间的增加趋于饱和,以及退化率因子随应力电压变化的特点。当前 己经成为几乎所有技术的深亚微米 器件热载流子效应研究主流,因此针对结构带来的特殊退化特点,探寻其退化机理,建立与之相符的寿命预测模型是非常必要的。.本论文主要研究工作本论文的研究工作来源于国家自然科学基金项目:“半导体器件与电路的响应型损伤机理与实验研究”,项目批准号为。由于热载流子效应是导致器件可靠性问题的重要机理,本论文结合国家自然科学基金项目开展器件热载流子效应的研究,这对深入了解器件和集成电路的损伤效应以及提高其可靠性有着重要的意义。本论文通过对短沟器件的机理进行分析,并建立了适用于深亚微米器件模型,对器件的阈值电压、输出特性、跨导特性、衬底电流等进行了分析。并从器件结构和工艺参数入手,对深亚微米漏极工程器件热载流子可靠性问题进行仿真研究。具体体现在论文的各章节内容为:第二章简要介绍了模型的发展,重点对短沟器件的建模进行了分析,给出了器件的漏电流模型、饱和电压模型、饱和区的沟道长度调制效应、有效迁移率模型等。并在短沟器件模型基础上研究了深亚微米 器件重要模型参数的建立过程和适用范围,提出了器件的漏电流模型、临界饱和漏电流模型、源漏串联电阻模型、亚阈区模型等。第三章对热载流子的物理模型进行了深入研究。从热载流子的产生和注入机制入手,分析了在不同偏置下的热载流子效应,并且在幸运电子模型的基础上建立了栅电流模型,最后重点研究了对热载流子起到表征作用的衬底电流模型。建立了适用于的短沟衬底电流半经验一半解析模型,其中对特征长度,这一非常重要的参数做了改进描述,使之更适合分析薄栅深亚微米器件的衬底电流特性。第四章对 热载流子效应进行了仿真研究。研究了轻掺杂区结深、浓度、沟道长度、栅氧化层厚度、衬底掺杂浓度、横向长度等器件工艺参数对器件的影响。主要从器件转移特性、输出特性、栅电流特性、衬底电流特性、电势分布对器件进行仿真分析。最后提出了 器件热载流子退化的物理解释,并进行了和应力条件研究。第五章对延伸结构进行热载流子研究。主要从器件转移特性、输出特性、栅电流特性、衬底电流特性、电势分布、电子电流密度分布对,.器件进行仿真研究。从热载流子效应研究出发,展开研究了不同第一章绪论结构对器件可靠性的影响。第六章总结了本论文工作,并指出了本论文的不足。第二章 器件模型第二章 器件模型.引言小尺寸器件建模在工艺技术和设计领域起着非常重要的作用。深亚微米技术中广泛应用了,近年来己经开发出许多模型,从耗费大量运算时间的数值模型到单纯基于实验数据的拟合模型,在不同的场合都体现出各自不同的优势,但人们一直不懈地在计算量、精度、机理分析和实用便捷之间寻求平衡,因此派生出许多建模方法,应用于不同的器件需求。其中简捷模型被给予了更多的关注,这是因为简捷模型可以很好地平衡器件的物理分析精度和模拟运算速度之间的矛盾,人们可以将结构和工艺引起的特殊机理很便捷地引入模型,因此已成为被广泛接受的实用模型思想。近年来发展较快,在器件物理机制方面分析较为深入的通用简捷模型大致可分为三类,即:电荷控制模型、表面势模型和电导模型。电荷控制模型的思想属于动态电容效应模型【,多年来,这一模型不断完善,发展为基于电荷的电容模型,并被应用于小尺寸器件的模拟分析。该模型的基本思想是:的栅下沟道区的反型层电荷受控于端口偏置电压,可以通过电荷积分导出强反型漏极电流,并通过线性区栅电荷对端口偏压微分得到栅电容的描述公式。这一模型被应用于模拟软件中。而以后的模型在电荷变量方面改善了电荷守恒的问题,减小了数值计算上的误差。在改进的基于电荷的电容模型中,对沟道反型层电荷的重新划分和体电荷因子的改进描述,使电荷方程分析精度和合理性不断提高。在考虑了短沟效应载流子速度饱和、迁移率降低、沟道长度调制、串联电阻、热载流子等效应以后,该模型也被用于短沟器件的分析。该系列模型的优点是简单灵活,易于引入不同的工艺影响因素,因此仍被广泛用于结构建模的基本核心。表面势模型是将源漏的表面电势作为变量【,导出沟道层中的感生电荷密度,积分求出漏极电流。该模型的优点是具有更精确的器件物理描述,对器件的积累、耗尽和反型都有合理的分析。但是其复杂的隐含方程表示关系加大了参数计算的难度,不得不采用迭代求解算法来计算表面势的分布,而且由于电荷与表面势之间的指数关系,表面势的计算要求非常精确,否则相应的电荷分布就会引起更大的误差。很明显,对于复杂器件结构和许多非理想化因素的考虑,该模型的应用就不方便了。随后的改进模型则更多致力于优化求解方面,其中薄层电荷模型就是在计算方面有明显的改善,而分段漏电流模型包括一级近似模型、体电荷模型在计算上更是简便了许多,因此在电路模拟中应用最广泛。对于模拟电路和器件的工作,亚阈区的特性显得尤为重要,显然沟道电导的描述比沟道电流深亚微米 器件热载流子效应研究的描述更直观和精确一些【,在模型中引入了一些实验拟合的因素,亚阈区电导连续性有明显的改进。随着深亚微米工艺技术的成熟,相应的计算模型也不断的完善,因此针对工艺的小尺寸器件的简捷模型仍是人们的热点研究方向之一。.短沟器件模型从表面势模型【】、薄层电荷模型四到分段电流模型、体电荷模型【】的发展,均是应用于长沟器件分析,而对于小尺寸器件,其特性有着明显的不同,如:输出漏电流在饱和区仍有增加的趋势,沟长越短,增加的斜率越大;闽值电压在短沟器件中会降低,而且与偏压有关,即阈值电压的漂移现象;亚阈区的特性更复杂等等。因此,在分析短沟器件时,通常需要考虑一些典型的效应:载流子速度饱和效应、迁移率降低效应、沟道长度调制效应、源漏串联电阻效应、热载流子效应等。.输出漏电流模型考虑载流子速度饱和因素,可以从反型层电荷得到漏电流的方程:厶踹%一%一.口%吃其中圪。,/以,这是短沟器件的常用电流方程,也被用于模型中。为沟道长度,推广到结构的器件,应为有效沟道长度三够以后都采用盯来表示沟长。式中也应用了饱和电场一速度关系形叫/,其中圪甜被认为是恒定值电子饱和速度大约在/的范围,由材料物理性质决定。而为了提高对沟道体电荷因子口的精确描述,又发展了如下的经验公式【】:段。形/三够%一虼一.,纥吃其中口,口。口:%一%,这种与偏压有关的口的描述有效的反映了器件在线性区和饱和区的工作状态。图.为的输出特性曲线,的基本参数为:栅氧化层厚度,栅宽.,器件的沟道长度.,衬底为均匀掺杂,掺杂浓度为.一:源漏区为高斯心掺杂,扩散峰值浓度为.一,结深为.;其中高斯扩散的横向扩散因子。该曲线基本表征了如与%和之间的关系。第二章 器件模型;。口图.的输出特性曲线.饱和电压模型在短沟速度饱和的假设下,饱和漏电流丘町可由下式给出:?,吧町%一%一口吃。,在吃%讲的临界饱和边界条件下,并结合关系式,可以得到临界饱和漏电压的关系式【】:?吃珊盯该式是非常适合于短沟器件的饱和漏电压表示式,至今被许多文献采用。而在模型中即模型,以利于计算另一种表达形式出现:甜:型 甜二卫二 一】。.口该式与.式有相同的精度,它们显示了当器件按比例缩小后,小的漏偏压就可使沟道电场达到临界,即沟道长度三缩短,饱和漏电压叫减小,这符合器件物理机理。上述公式中涉及到的因子可由以下半经验关系给出【】:口:型三堕垒型型?坠乞矽圪在许多的口因子经验公式中,该式是简单实用的一种,它省略了与偏压的复杂关系【,因此在简捷模型中经常被使用【。.饱和区的沟道长度调制效应当漏区偏压超过,时,假设沟道夹断点或载流子速度饱和点向源极移深亚微米 器件热载流子效应研究动,等效为沟道长度发生变化,这就是所【胃的沟遁长度调制效应,被夭断的沟道部分定义为速度饱和区长度如,这个参数对短沟器件电特性的描述起着非常重要的作用。考虑了这个参数后,饱和区输出漏电流则会随漏压的增加而增加通过简单计算可得到:划揣一种准分析模型对沟道的描述则更为合理一些,它采用二维方形饱和区假设,考虑了栅氧区纵向电场和沟道区横向电场的作用,得到如的表达式【】:訾争其中沟道漏端最大电场厶可表示为:耻与坚;其中 被定义为沟道特征长度,这一参数在后续的章节中该参数还会有改进型描述,以适应深亚微米器件的特性。.有效迁移率模型前面涉及到的沟道中载流子表面迁移率。实际与栅压、漏压有关,尤其在短沟器件中,栅压形成的纵向电场和漏压形成的横向电场,使载流子横向加速和纵向散射声子散射、库仑散射、粗糙度散射机理共同存在。当高漏压造成载流子速度饱和时,迁移率并不是恒定的,它与横向电场和纵向电场都有关,因此在计算漏电流时必考虑从与电压的关系。栅压和漏压都会造成迁移率的降低,简单的迁移率表示式为:以雨瓦了/.万瓦该式被广泛用于电路模拟中,其中迁移率衰减因子曰在实际应用中衍变成了一个纯经验参数。眈用于进一步改善拟合状况。而在,中,。,简化了公式。若考虑短沟和窄沟效应时,则有另一种表示式【】:舻而万豸可而第二章 器件模型其中形为栅宽,三为栅长,和为拟合参数。.器件直流模型.电流模型由于在深亚微米尺寸时,沟道的载流子往往处于速度饱和状态,因此本文提出了基于速度饱和理论,并采用双曲正切函数的数学描述的本征直流特性模型,用于分析 的机理。引起的寄生串联电阻的影响可以被考虑为本征器件的外部参数,采用优化迭代方法求解输出电流如,其线性区和饱和区的过渡由双曲正切函数的连续性来保证,从而避免了模型中电导的不连续。这种模型更侧重于解析分析,又结合了双曲正切函数的简捷手段,因此在考虑了器件物理因素的同时,又大大简化了模型计算过程。采用双曲正切函数的模型框架来描述直流特性,这种方法已被更多地应用到小尺寸微波器件的建模中,其简捷的计算更适用于电路级的设计,因此属于简捷模型领域中一个重要的分支。这里建立了采用双曲正切函数的非线性电流模型%,%:厶%,吃匕,力吃砌吃其中,定义为临界饱和电流,是的函数,它是反映器件驱动能力的重要、戮掣铹一?黼愀,是%和%的函数,它反映了短沟器件输出特性在饱和区的变化,而,%,吃茜詈陆地甜艉卿?掣:舄枞?一施数,它反映?输出特性曲线在线性区的变化,而勘。%生岫.。是线性区漏导。上述表达式中涉及到的%小踟、跏等关系参量,结合器件.的物理特性和被人们所认可的较成熟的经验模型,能够得到较精确的解析表达式,从而使计算更加简便,各参数的详细分析如下。深亚微米 器件热载流子效应研究.临界饱和漏电流如删分析根据短沟器件的载流子速度饱和理论和电荷控制理论,临界饱和漏电流如,广泛地采用如下表示式【】:?,叽,一%一儿,下面讨论适用于小尺寸器件的阈值电压。实际建模中,的表示方法有多种,既有偏重理论的,又有依据实验数据的。针对亚微米器件,这里采用只需要很少拟合参数的一种表示式【:,%:。一塾些型堕掣型必该式是在耗尽区求解准二维泊松方程的结果,对短沟器件的阈值电压有较精确的描述。式中被定义为长沟的阈值电压,其经典表示式如下:阼。矽。?/矽矗口?了?一一“平带电压%:九一九譬/一和/乞,费米势九:坚型业。飞因此只需估算固定氧化层电荷密度儿,其他参数由材料和工艺数据得到,或者更精确地,通过测量得到。%是区与型衬底结上形成的自建电势,根据定义它显然比传统的高掺杂源漏结构的圪值低。三盯为有效沟道长度,后面还要详细分析。,为沟道特征长度,由下式给出:该式只是短沟器件的特征长度的通用表达式,它可以简化模型的计算,而对于深亚微米器件,该式有更复杂的表示,而且与偏压有关。式.是偏重于器件理论的解析表达,如果在基于实验的器件模型中使用,可通过测量来确定%的数值,更能提高模型的精度。其次,公式.中涉及到的体电荷因子,通常用于模型中,其简化的关系式如下】:。:.?.?:一九圪针对体电荷因子己经衍生出不同的表达式,分别用于描述不同的漏电流方程和饱和漏电压之间的关系。.第二章 器件模型公式.的饱和漏电压,本文采用最为广泛应用的适用于短沟器件的表示式如下:一,三咿器件,式?中,三酊和为有效沟道长度和临界电场。对于三盯可以由工艺参数近似估算。更精确地,该参数由参数提取方法来确定,大多数文献的简捷模型建模中都直接使用提取的三矿数值。必须指出,在深亚微米器件中,上盯往往是与偏压尤其是栅偏压有关的,更精确的解析表示很复杂,也加大了建模的难度,因此在简捷模型中,固定的酊数值往往被采用,以提高模型的实用性。临界电场与载流子饱和速度刚有如下简单的关系:艮:堡./上下。而硅的物理性质决定,值是在一定的范围内,通常在.饱和电压系数【的分析饱和电压系数口用来描述漏电流缸在线性区和饱和区之间的过渡趋势,根据式.的关系,它有如下表示:口:互竺二:鱼剑型亿四蛔 缸其中。%表示小漏压线性区的跨导,当屹一时,采用模型的跨导就可以达到满意的精度,本文作如下近似:比%酊&。:掣%一圪一巩确。式中善是本文为了使跨导在,线性区间内普遍适用而建立的拟合参数。而该式和式?中的表面迁移率以用有效迁移率吻来代替,则更能符合器件的实际特性,物的通用表示式为:吻雨丽/.其中心为由纵向场决定的低场迁移率,这是载流子速度饱和理论中通常采用的迁移率,为拟合参数。深亚微米 器件热载流子效应研究.沟道长度调制参数九分析五参数是反映在饱和区的沟道长度调效应对短沟器件的影响,表达式如下:、.。五:二挚:兰生垡:竺坚竺缸毗 缸式中的饱和区跨导鼬可由考虑了效应后的饱和电流模型并结合式.模型结构导出,它避免了严格的电流微分,因为这个微分关系非常复杂,近似后的饱和区跨导如下所示:凼 出甜出:而唤百岭出%二一乞圪妇,该式中载流子速度饱和区长度幻是较为关键的参数,针对短沟器件也衍生出不同的表示方法,其中应用广泛的经验表示式为【】:厶 一。/心其中和而分别为栅氧厚度和源漏区结深。我们采用更精确的二维计算表示结果】:?譬争厶为沟道漏端的最大该式表示了速度饱和区长度如与特征长度间的关系,电场,它与临界电场&之间的关系为:?耻乒葶而上述相关公式只是适用于饱和区的情况,为了使建模过程中避免出现饱和区和线性区结合部的物理参数尤其是电导不连续的情况,通常将饱和漏电压删作平滑处理,以使模型同时满足线性和饱和状态。.器件源漏串联电阻模型上节中建立的.模型仅限于本征区域的特性分析,在实际器件中,源漏串联电阻足和如,其中最显著的是区的电阻。造成了器件端口偏压的下降,如有明显的衰减,.曲线形状与本征状态下相比有很大差异,这两部分串联电阻同时也对器件的频率特性有很大的影响。图.是和第二章 器件模型的的转移特性曲线和输出特性曲线对比结果。可以看出,漏电流比的要小,由输出特性也可以看出,的击穿电压比的击穿电压明显要小很多。由于器件采用对称栅结构,故认为栅源和栅漏串联电阻近似相等,下面分析它们的组成结构。们童 工们 工墨 量。们幽转移特性对比结果 输出特性对比结果图.和转移特性和输出特性对比结果传统的结构中,源、漏串联电阻由几部分组成:尺,曲印它们分别是薄层电阻小欧姆接触电阻和扩展电阻阳,其中欧姆接触电阻对器件性能有着较大的影响。但是在 中,低掺杂区使尺印和尺曲的值加大,因此通常由一经验公式来表示源漏电阻.抛如筹式中是拟合的平均电阻率,是结构中的侧墙厚度,是轻掺杂区结深。由于欧姆接触电阻基本由工艺条件决定,因此实际模型中往往采用根据实验提取的源漏串联电阻值,而在参数的优化算法中,上述电阻的公式可作为初始估算值,这也是被广泛应用的一种方法。随后将这些串联电阻值作为器件等效电路的外部参数,根据器件等效电路,本征参数与外部端口参数间的关系就可以用下式来确定%本征%端口卜,。%本征比端口卜气尺,凡将这一关系代入到式.中,显然这是%的一个隐函方程,需要采用迭代优化算法,由于所涉及到的参数都是采用简洁的解析表达式,因此整个优化计算过程应简单快速的,这也体现了简捷模型的特点。深亚微米器件热载流子效应研究.亚阈区模型上节的所有分析对器件来讲仅适用于强反型状态,即沟道电流是以漂移电流为主。但当器件处于弱反型状态,即进入了亚阈区工作,这时器件的特性从平方律变为指数律,漏电流应该是以扩散电流为主,随栅压的减小而呈指数规律下降,渐变到零值。在经验模型中,这种电流的渐变趋势通常是通过调整%.的值来实现。该方法更多是从数学角度而不是从器件机理来考虑亚阈区小电流的渐变过程,是适合于电路模拟的简便方法,这样就避免了亚阈区复杂的表面势的求解,实际上.模型也是采用类似的简化分析手段。这里提出了一个更简单的等效栅压来描述亚阈区的栅驱动电压,如下所示:%吲盯:坐竿当这里万是一个拟合参数,通过栅压来控制电流在亚阈区的下降速度,在强反型区%足够大,使%一%专%一。将式代入到前面涉及到的参数方程中,就可以近似描述器件的亚阂区特性,而无需考虑漂移和扩散电流的复杂机理,这正体现了简捷模型具有的优点。.本章小结本章对短沟器件进行建模分析,给出了器件的漏电流模型、饱和电压模型、有效迁移率模型等。在短沟器件模型基础上研究了一些适用于深亚微米 器件的重要模型参数的建立过程和适用范围,提出了器件的直流模型、临界饱和漏电流模型、源漏串联电阻模型、亚阈区模型。并结合短沟器件载流子速度饱和分析方法,建立了各个重要参数间的解析关系,充分考虑了小尺寸器件的各种短沟效应的影响因素,广泛采用理论分析和实验数据结合的方法,使模型的计算更加简便,而且保证一定的精度,这种模型适用于器件及电路的设计和分析。第三章 热载流子物理模型第三章 热载流子物理模型.热载流子基本概念.热载流子效应沟道热载流子是由沟道中在高场下运动的电荷及其倍增电荷形成的。当源漏电压较高时,在漏结附近会形成水平方向上的高电场,在高场作用下,载流子在大于/的加速电场下运动,它从电场获得的能量大于散射过程中与晶格原子碰撞损失的能量。这样的载流子就成为热载流子。随着器件的沟道长度进入深亚微米,在器件尺寸等比缩小的同时,器件工作电压缩小的程度并不如沟道长度那么大,这就导致沟道区的横向和纵向电场显著增加。载流子在高场中获得足够的能量,形成热载流子的几率大大增加。这些高能载流子在器件沟道中能够翻越界面势垒,注入栅氧化层,在.界面产生界面态,或被栅氧化层中的电荷陷阱俘获,导致器件特性,如阈值电压、跨导和线性区及饱和区漏电流的退化,使电路性能随时间逐渐退化。当沟道载流子发生碰撞时,热载流子将通过电离产生次级电子.空穴对,其中电子对器件,同时包括原始和次级电子形成了从漏到源的电流,碰撞产生的次级空穴将漂移到衬底区形成衬底电流厶见图.。通过测量厶可以很好的监控沟道热载流子和漏区电场的情况。图.在饱和区热载流子效应的示意图.热载流子的产生和注入机制热载流予效应包括载流子产生、注入和栅氧化层中载流子的俘获等过程。载流予注入是一种局部现象,它仅仅发生在整个沟道的一部分区域中。对于深亚微米 器件热载流子效应研究器件,己经报道了四种热载流子产生和注入机制,它们分别为:沟道热电子部分电子在漏极附近的沟道区中被“加热”形成幸运电子。幸运电子是那些从沟道中获得了足以跨越?势垒的能量,且又没有受到任何碰撞能量损失的电子,幸运电子注入到栅氧化层中会形成栅电流。这种热电子对氧化层的注入就是沟道热电子注入。漏极雪崩热载流子它是由漏极强电场导致的雪崩倍增效应引起的,电子从沟道中获得足够高的能量,经碰撞电离后产生电子一空穴对,电子一空穴对又会产生更多的电子一空穴对,形成雪崩。衬底热电子它是在位于表面附近的衬底区中,由于热产生或电子注入到中形成的。当,%,并施加较大的背栅偏压时,例如自举电路中的上升过程,即可以发生注入现象。耗尽层中产生的电子或从衬底中性区扩散过来的电子在向.界面漂移的过程中,从表面耗尽区的高电场中获得能量,其中部分电子将获得足够高的能量并越过势垒。由于热产生的电子一空穴对较少,注入实际上并不很重要,但人们还是对它做了详细的研究。二次产生的热电子二次产生的热电子,它是由衬底电流的二次碰撞离化产生的二次少子。漏极附近的雪崩过程形成了衬底空穴电流,该空穴电流又通过碰撞离化形成二次电子一空穴对,这些二次电子如同一样会被注入到栅氧化层中。在栅氧化层较薄和背栅偏压较大的情况下,二次电子注入效应特别严重。实际上,器件的瓯和如随着时间的界面处产生的热电子和热空穴会使.增加而下降。.在不同偏置下的热载流子效应载流子的能量和运动方向由器件的结构参数如器件的几何形状、掺杂浓度分布和器件内电势分布所决定。由于器件的偏置电压决定了器件的工作状态,.同时也就确定了沟道和氧化层中的电场分布,所以沟道热载流子的产生和注入是与器件的偏置条件密切相关的。一般认为器件沟道热载流子效应可分为三个偏置应力区域:在高栅压应力区%。%。,此时器件工作在临界饱和点附近,沟道横向电场强度小于最大值,热载流子的数量较少,因而产生的界面态数量也较少,但氧化层纵向电场的方向有利于注入的热载流子进入栅氧化层,因而氧化层电荷陷第三章 热载流子物理模型阱中俘获的注入电子成为器件中影响器件退化的主因。热载流子的注入集中在靠近漏结的高场区内,形成氧化层中陷阱电荷水平方向的不均匀分布,且被俘获的载流子所形成的退化区随时间向源区方向扩展。在深亚微米器件中,沟道退化部分占整个沟道长度的比例增加,其影响更加严重。在中栅压应力区%。/,器件工作在饱和状态,此时沟道横向电场达到最大值,碰撞电离率最大,产生了大量的热载流子,使界面态的产生达到峰值,成为器件退化的主要机制。界面态的产生主要是由于高能电子和空穴在注入时打破了.和?键,或打破.键,释放出原子,而.、.悬挂键则成为受主型界面陷阱。据此得出的界面态陷阱电荷引入的器件退化量与时间呈幂指数关系,结论鲋”与实验结果符合得很好,其中为与工艺有关的常数,取值在.之间。因为器件沟道中的少子电子数量较少,受主型界面态的作用比器件弱,取值.。由注入热载流子产生的界面态造成的器件损伤也集中在漏结附近的高场区,在深亚微米器件中,这种区域化的损伤分布随着栅氧厚度的减小会越加严重。在低栅压应力区/,即栅压接近阈值电压时,由于器件刚进入强反型区,沟道横向电场还未达到最大值,较少的热载流子只能产生少量的界面态,但此时器件中氧化层纵向电场有利于热空穴的注入,器件退化可归因于漏结空间电荷区雪崩热空穴的注入和俘获。而器件退化可则归因于热电子的注入和俘获。因为注入热载流子为器件沟道中的少数载流子,当陷阱电荷积累到一定量后,其下对应的沟道部分反型,相当于漏结向沟道内部扩展,使有效沟道长度减小,屏蔽了部分产生的界面态的影响,同时使器件退化加重。由于空穴的迁移率小,在同样电场下获得的动能比电子小得多,长沟器件中由热空穴引起的器件损伤比同样偏置条件下器件中的热电子要小得多,器件的热载流子效应一直未受重视。但随着器件尺寸进入亚微米和深亚微米,由于栅氧化层中的陷落电子产生的沟道缩短,及损伤区在沟道中所占比例的增加,使器件漏电流和跨导的退化明显增强,而且同样数量的热空穴产生的界面态的数量要远远多于热电子,即空穴的损伤产生率要高于电子,电路中器件的退化造成的影响不能再被忽略不计。当器件沟道长度从.缩小到./时,在相同的应力条件下,沟道长度越短,器件的退化量也越大。热载流子引起的器件性能退化是一个非常严重的问题,尤其是目前国际上.工艺己进入大规模生产阶段,.范围的器件制造技术也日趋成熟,热载流子问题的评估和模拟研究成为人们关,的主要问题之一。深亚微米 器件热载流子效应研究器件进入深亚微米范围后退化量增加的主要原因为:器件内部的沟道场强和氧化层场强随沟道长度减小而增加,使热载流子效应增强;损伤区域占沟道长度的比例增大,沟道中退化部分向源极延伸,对器件参数的影响愈加显著;各种偏置条件下器件的退化机理,如界面态的产生、电子和空穴在氧化层中的陷落等对器件的性能都会产生显著的影响;热载流子注入引起沟道缩短,使深亚微米器件的穿通电压急剧退化。同时,对深亚微米器件进行模拟时必须考虑各种短沟道效应,尤其当沟道长度降至与载流子平均自由程可比时,会出现如非稳态、量子传输等效应,模拟工作会面临更大的挑战。热载流子在氧化层中的俘获量与氧化层中的电荷陷阱密度成正比,界面态则与界面质量、界面键密度有关。提高氧化层和界面质量是减小热载流子损伤的基本保证。降低电源电压和减小栅氧化层厚度是抑制热载流子效应的有效方法。降低电源电压可直接降低器件内部电场强度,但器件的驱动能力会受到很大的影响,从而使电路的速度降低。电源电压不可能与沟道长度等比缩小,目前多数电路工作在.,即使电源电压降低至,深亚微米器件仍会出现热载流子效应。减小栅氧化层厚度能够增加栅氧化层电容,但栅氧化层的减薄受到氧化层质量的制约,在目前的工艺条件下,当栅氧厚度小于时,漏电流、隧穿电流会急剧增加。所以电源电压和栅氧厚度的降低是有限度的。.幸运电子和栅电流模型电子在沿着沟道运行经过漏区高场的过程中,如果能有幸地躲过或避免发生散射,则可迅速获得较大的能量而成为热电子。之后,如果它能继续幸运地改变方向向栅方向运动,并保持己有能量用于翻越界面势垒,克服氧化层中镜像势,最终到达栅电极,就可形成栅电流。可见,沟道热载流子注入是一个复杂的随机过程,对它的精确描述是非常困难的。对于,沟道热电子注入栅氧化层的幸运电子模型为:为了使沟道热电子能到达栅极,应满足如下条件:热电子必须能够从沟道电场中获得足够的动能大于.的势垒高度;该热电子必须经历一次弹性碰撞,使它的动能变为垂直于势垒方向的动量;该热电子在到达界面之前不能有任何非弹性碰撞,图.描述了这一过程。从点到点,电子从沟道电场中获得的能量变为“热”;在点,由于弹性碰撞使热电子的方向改变;从点到点点位于界面处,该热电子不应该受到任何有能量损失的碰撞,以便它能保持越过.势垒所需要的能量:在从到之间的氧化物镜像势阱中,该热电子也不能受到碰撞:热电子一旦到达点,即被外加电场扫到栅电极,从统计学的角度来看,这些过程都是相互独立的,因此总的概率是每个独立事件的乘积,即:第三章 热载流子物理模型驴只罡忍争式中以为改变方向散射的平均自由程,/,.为在距离内热电子改变运动方向的概率,置是获得足够动能和垂直动量的概率,罡是热电子移动到?界面而没有受到任何非弹性碰撞的概率,是在氧化层镜像势阱中没有任何碰撞的概率,为了计算,首先需要计算三个概率只,只,。栅二源?厂图.幸运电子形成过程示意图为了使热电子能够越过势垒,它的动能必须大于。为了获得动能。,热电子必须经过。/的距离,其中利用了沿沟道方向的电场为常数的假定。一个沟道电子经过或更长的距离而没有受到任何碰撞的概率为.,其中兄为热电子散射的平均自由程;电子获得大于势垒。的动能的概率为/肛。如果电子向氧化层中运动,为了获得足够大的垂直于界面的动量分量,必须通过弹性碰撞改变它的动量的方向,使它的动量指向.界面。一个电子能够获得所需要的动能,并在改变方向后仍能保持合适动量方向的概率为:.,.蓑一由于势垒。被镜像力效应降低,净势垒高度一般可以写成:.?:,其中.是?界面处的电子势垒,。,是氧化层中的电场:?.?:一出甜以。为常数,可以通过于实验数据拟合得到。方程中的第二项代表了镜像电场引起的势垒降低效应,第三项考虑了在和之间发生遂穿概率。热电子移动到界面而没有受到任何非弹性碰撞的概率最的表达式为:深亚微米 器件热载流子效应研究在氧化层镜像势阱中不发生碰撞的概率为:.一石】吲一卷】其中丸.式氧化层中电子的平均自由程。由于最和的乘积仅仅是栅氧化层电场瓦的函数,可以将他们综合为最只。户瓦与%的依赖关系较弱,从方程给出的栅氧化层电场可以看出,在漏端的值最大。概率弓与呈指数关系,而又与呈指数关系,因此方程.中的积分项是一个具有尖锐峰值的函数,联立上面所有方程得到栅电流近似表达式为:?半面.,丽脚一罢脚其中。是最大沟道电场,假定电场在注入区,曲。内为常数,则/。/乙。曲。是未知的,因此将它作为拟合参数,可以利用代替,。而不会降低上述方程的精度。求出方程.的积分得到闭合形式的栅电流方程为:.等鲁尸。急取一级近似,该方程为:铲:一急一。在方程中只有兄和乃是拟合参数。已经当%吃时,:约为发现,栅电流对乃不敏感,根据理论分析,五,为.。当名取.时,与实验数据拟合的较好。注意,栅电流是沟道电场。和纵向氧化层电场。的函数。图.是,.拘栅电流曲线。可以看到,栅电流的峰值位于%处。对于给定的,当%吃时,厶随着%的增加而增加,相应的栅电流也随着增加:当%吃时,进入线性区,厶减小,石也相应地减小。第三章 热载流子物理模型 图.的栅电流乓随栅电压%变化的关系曲线实验中观察到,中的栅电流也可以由热空穴注入到栅氧化层中形成,特别是对于。的薄氧化层更是如此。空穴是由热电子碰撞离化形成并被沟道电场加速的,为了估算栅电流中的空穴电流分量,必须模拟由碰撞离化引起的空穴产生率和空穴向氧化层中注入的幸运空穴的概率。.衬底电流模型衬底电流厶曲用于评估器件退化的判据,是因为器件退化和衬底电流的产生是由相同的机理造成的,即沟道中横向电场过高,尤其是靠近漏端的电场过高,而毛与这一电场呈指数关系,因此准确地分析厶曲的机理,并建立它的有效模型,对器件的性能和可靠性分析是十分重要的。图.热载流子产生及退化示意图图.为典型的热载流子产生示意图。由图可见曲,衬底电流是漏极电场的间接测量手段,可以判断是否受到热载流深亚微米 器件热载流子效应研究子应力,热载流子产生时在漏极形成的光发射也可以指明产生的热载流子密度。在很高的下衬底电流在衬底上产生的电压降可以使源衬结正偏,打开寄生双极器件。结果是参加碰撞电离的载流子增加,进而增加了衬底电流。超过一定值后,这种结果便可自我维持,结果形成所谓的雪崩击穿。其次,热载流子效应会引起器件中栅氧的破坏,这在小尺寸薄栅氧器件中更为明显,造成阂值电压的漂移、跨导和输出电流的下降,而衬底泄漏电流的变化最为显著,因此衬底电流的变化常常被用于预测热载流子效应引起的器件性能退化,热载流子的模拟与监测也主要以衬底电流为手段。热载流子起因于沟道中的碰撞电离,所产生的电子一空穴对决定于沟道电场的大小,典型的沟道内热载流子形成见图.,其中一部分电子被栅氧化层俘获,一部分到漏极,一部分电子、空穴在源漏间的漂移形成了沟道电流,而还有一部分空穴从漏端进入衬底则形成了衬底电流五咖这将是本章的重点。器件,特别是极小尺寸器件的衬底电流与工艺是密切相关的,因此基于工艺和实验的拟合参数在建模中非常必要,是保证模型精度的重要手段,故这种模型至今仍被广泛使用。理论上,由碰撞电离产生的空穴,进入衬底形成的厶曲一般可表示为:“一彘坳上式是考虑了雪崩倍增因子和电子碰撞离化系数口。的关系后得到的结果,其和为电子碰撞离化系数,如为沟道饱和区长度,例为沟道电场。经过沟道内漏端的最大沟道电场晶近似:耻与鳖踟与鳖其中艮为临界电场强度,为特征长度或有效碰撞离化长度。式.可近似演化为如下的表达式:警吃叱一丧该式已被广泛地应用到电路级模拟当中,但是对于小尺寸器件的模拟误差较明显,而的改进型模型在精度上有较大的提高,尤其适用于薄栅氧器件的分析,模型对最大电场厶做了如下修正:已毕其中为根据器件工艺的拟合参数,一般认为/。由此得到的衬底电流第三章 热载流子物理模型模型如下所示:.。警吃一帆,芒苌在衬底电流的模型.、.中,电子碰撞离化系数和、饱和电压小特征长度,如何确定对模型的精度是非常重要的。对于和,通过、.、.式取对数,可以得到下面的关系式以式为例:血:一坐地鱼.、。屹一%叫,气%一,显然丽历与瓦呈线性关系,对不同%和不同的测试数据点的绘制,应该大约呈现一条直线的分布,通过线性回归拟合,可以确定该直线的斜率和截距,即可提取和的值。对特征长度的确定是岛模型的关键参数,不同的模型采用了不同的表示方法。在表面势和电场分布的二维器件结构模型中,广泛采用如下的特征长度定义:其中是栅氧厚度,为结深对器件则认为是轻掺杂区的结深。在的模型【中则提出了符合长沟器件的经验表达式:,.坨。/而对于深亚微米短沟器件,等人【提出了更精确的经验公式:?,.仃。考虑沟道长度的影响因素,可以给出如下表示式:,.;仃。/甾由于栅压和漏压也对,有影响,因此等四提出了与偏压有关的经验公式:,“吃一%,:%一%这样在模型中就包括更多的拟合参数,与实验数据的拟合更精确。在深亚微米器件中,特征长度受偏置电压和沟道长度的影响愈加明显,由厶 与%、关 系 的 实 验 结 果 可 以 看 出【,最