可物作业

负偏压温度不稳定性（NBTI）-氢反应模型本组成员：ZY1114126孙道宇ZY1114107高鹏飞SY1114307王亚辉SY1114227苏泉摘要负偏压不稳定性（NBTI)现在已经成为影响PMOS器件失效的一个关键因素，NBTI使器件的失效已经成为人们越来越关注的问题。本文对NBTI效应的影响因素及失效模式做了分析，并对PMOSFET中的NBTI效应机理中的氢反应模型做了研究。并对后续的可视化仿真做了基础工作。关键词：NBTIPMOS失效机理氢反应模型1.NBTI的定义及使PMOSFET器件退化的表现NBTI效应是指对器件施加负的栅压和温度应力条件下所发生的一系列现象，NBTI效应对器件的退化作用主要表现为阈值电压thV的负向漂移，亚阈值斜率S的减小，跨导mG和漏电流dsI的减小等。随着MOSFET进一步向纳米级发展，器件沟长越来越短，栅氧厚度越来越薄都使NBTI效应越来越严重，新工艺采用诸如氮化硼氧等的采用也是MOSFET器件的可靠性问题变得越来越复杂。2.PMOSFET中的NBTI效应研究NBTI对PMOSFET器件最大的影响就是阈值电压的负向漂移，因此，阈值电压的漂移是器件失效的主要特征。我们把10%%ΔVth作为在NBTI效应下的“失效判据”。只要阈值电压的漂移量大于10%我们就判定器件失效。我们分析影响NBTI效应因素时，采用的是只让一个量改变而其他量不变的方法。因此我们主要从以下几个方面分析影响NBTI的因素：1.在一定温度和栅压应力下，时间应力对NBTI效应的影响;2.应力温度对NBTI效应的影响；3.栅压应力对NBTI效应的影响；4.PMOSFET器件结构对NBTI效应的影响。在每种情况下我们分析器件阈值电压的漂移情况，根据失效判据确定器件是否失效。3.影响NBTI的因素3.1.应力时间对NBTI的影响3.1.1阈值电压随时间的漂移情况上图a，b分别给出在线性坐标下和双对数坐标下的阈值电压thV随应力时间的漂移情况。从图中可以看出随着应力时间的增加，阈值电压的退化也不断增加。阈值电压和界面陷阱及氧化层电荷的关系如下：oxCBQFoxCsitQfQmsoxCBQFFBVthV22式中，ms是指多晶硅与衬底间的接触电势差；inDNlnqKTFΦ，称为费米势，其中q是电子电荷，DN是衬底的掺杂浓度，in是本征载流子浓度，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；BQ为耗尽区的电荷密度，其值为21SVAqN02εεdxAqNBQ，其中q是电子电荷，AN是受主杂质浓度，SV是是半导体表面势，0ε真空介电常数，ε二氧化硅介电常数；oxC单位面积氧化层电容，oxt0εεnμoxC，oxt是栅氧厚度，nμ是电子的迁移率；fQ是氧化层电荷密度；FBV是平带电压，oxCsΦitQfQmsΦFBV，其中itQ是界面陷阱电荷密度，sΦ是表面势。图b为双对数坐标下阈值电压漂移率与时间的关系，很显然，在双对数坐标下器件的阈值电压漂移率与应力时间成线性关系。也就是说NBTI效应导致器件阈值电压漂移符合幂函数变化的规律，其退化表达式符合关系式：nlgt1AthoVthΔVlg从而得出：nAt%thV式中thΔV是阈值电压变化量；thoV阈值电压初始值；1A工艺相关常数；n是和工艺器件相关的条件参数；t是时间；。3.1.2漏电流随应力时间的漂移在NBTI应力作用下，饱和区漏电流退较线性区漏电流大。因为在NBTI过程中阈值电压的退化量最为明显，而漏电流的退化受阈值电压的漂移影响是非常大的。可以通过饱和、线性漏电流两者与阈值电压的关系推导出阈值电压的漂移对他们退化的影响。先来看饱和漏电流与阈值电压的关系，饱和漏电流的公式如下：2thgs2thgsoxndsVV2βVV2LCWuI④对饱和漏电流公式求微分经整理可得到：thgsthdsdsVVdV2IdI⑤对上式取近似值就可以得到阈值电压漂移对饱和漏电流退化的影响：thgsthdastdastVVΔV2IΔI⑥式中W是沟道宽度；nu是电子迁移率；dsI是饱和漏电流；gsV是栅压应力；thV是阈值电压；L是沟道长度；β是共发射极电流放大系数；oxC是单位面积氧化层电容，oxt0εεnμoxC，oxt是栅氧厚度，nμ是电子的迁移率。线性漏电流与阈值电压的关系，线性电流的公式：dsthgsdsthgsndlVVVβVVVLWuI⑦对线性漏电流公式求关于阈值电压的微分，经整理可得：thgsthdldlVVdVIdI⑧对上式取近似值可得：thgsthdldlVVΔVIΔI⑨式中dlI是线性漏电流；dsV是漏电压。有上述关系可以得出这样的结论：随着应力时间的增加，阈值电压漂移，漏电流也产生退化。阈值电压的漂移使线性漏电流和饱和漏电流都减小，根据他们的关系可以知道，阈值电压的漂移使漏电流的退化量更大。3.2应力温度对NBTI效应的影响图-c不同温度下阈值电压的漂移量与时间的关系图c中可以看，在相同栅压应力不同温度应力下，器件阈值电压漂移量的退化率基本相同，但其退化的幅度不同，应力温度越高，则阈值电压的漂移量就越大。这彰显了温度对NBTI的加速作用。NBTI效应，顾名思义，是负偏置电压和温度共同作用的结果。很多文献认为温度对NBTI效应的促进作用主要表现在它可以加速在NBTI效应中反应产物在栅氧化层中的扩散速度，反应产物在栅氧化层中的扩散加快，则使得NBTI反应中的准平衡态向正向反应的方向进行，从而加剧了PMOS器件中的NBTI效应。图d-不同栅压应力下阈值电压漂移量与温度的关系图d则给出了在不同栅压应力下，器件阈值电压的漂移量与应力温度KT1之间的关系。从图中可以看出，在单对数坐标下，阈值电压的漂移量与KT1之间成近似的线性关系。实际上就是阈值电压漂移量随着KT1的变化按指数分布规律变化，温度T越高，KT1越小，器件退化越大，其中曲线斜率为激活能。有实验数据可得此时的失效模型为：KT)Eexp(*C%ΔVath式中%thΔV是阈值电压的漂移率；C是常数；aE温度对阈值电压退化的激活能；K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。3.3栅压应力对NBTI效应的影响NBTI之所以成为目前可靠性的主要问题之一，主要还是器件栅氧厚度的减小导致纵向电场的增加，使得NBTI效应愈加显著。实验中，对栅氧厚度1.4nmTox的器件采用不同的栅压应力，来研究纵向电场对NBTI的效应。应力过程主要监测器件的阈值电压thV，用阈值电压来表征器件的NBTI退化。图e-不同栅压应力下器件退化与时间的关系对器件施加不同的栅压应力，其值分别为-2.0V,-2.2V,-2.4V。图e给出不同栅压应力下PMOS器件阈值电压的漂移百分比，均与应力时间成幂函数的关系。相同温度应力下，栅压应力越高，器件退化就越严重。图-f-阈值电压漂移百分比与栅压应力之间的关系图f为器件退化与栅压应力之间的关系。从图中可以明确的看出，阈值电压的漂移与栅压应力在单对数坐标下为线性关系，由此可以得出其失效模型为：g11thV*βExp*CΔV式中thΔV是阈值电压的变化量；1C是常数；1β是常数；gV是栅压应力。3.4PMOS器件结构尺寸对NBTI效应的影响随着半导体技术的不断发展，器件尺寸在不断减小。在此过程中，人们研究发现，尽管NBTI应力是一种沿器件沟道均匀的栅压应力，然器件尺寸的不断减小还是给器件NBTI效应带来了一定的影响，从而使人们相信器件的横向尺寸也必须要纳入到影响NBTI效应的因素中。因此，本节介绍器件结构尺寸包括栅宽、栅长、栅氧厚度的变化对PMOS器件NBTI效应的影响。3.4.1栅宽对PMOS器件NBTI效应的影响图-g在NBTI应力作用下器件阈值电压的漂移随栅宽的变化情况图-g给出了在NBTI应力作用下，不同沟道宽度W器件阈值电压漂移量随栅宽变化的关系。从图中可以看出，器件阈值电压thV漂移随着器件沟道宽度W的变化并不是单一的变化关系。当栅宽较宽时，随W的减小，从100μm到4μm，阈值电压thV的漂移减小；而当W再继续减小的时候，从4μm到0.4μm，阈值电压的漂移又出现了增大的现象。从而在栅宽的减小过程中NBTI退化出现了极小值点。图-h不同沟道亚阈摆幅的退化从图g可以明显的看出，超窄沟道对器件退化的加剧作用要超过宽沟的加剧作用。对宽度分别为100μm和0.4μm器件亚阈摆幅的退化进行了提取，如图h。从图中可以看出，超窄沟器件亚阈摆幅的退化远远大于宽沟器件的退化。这说明超窄沟器件较宽沟器件更容易加剧界面陷阱在NBTI应力过程中的增加，从而造成超窄沟器件退化的增大。3.4.2栅长对PMOS器件NBTI效应的影响图-m在NBTI作用下，器件阈值电压随栅长的变化关系图m给出了在NBTI应力作用下，不同沟道长度器件阈值电压漂移随栅长的变化关系。所采用的测试器件栅长范围从1μm到0.09μm。从图中可以清楚的看出，栅氧长度对NBTI退化的影响十分显著。随着栅氧长度的减小，NBTI退化明显增大，并在双对数坐标下，NBTI退化与栅长遵循线性关系，即满足：BthL*A%ΔV式中%ΔVth是器件阈值电压漂移率；A、B是常数；L是器件沟道长度。3.4.3栅氧厚度对PMOS器件NBTI效应的影响图-n不同栅氧厚度下，器件阈值电压的漂移与时间的关系图n给出了不同栅氧厚度oxt器件的阈值电压thV漂移随应力时间的关系。器件栅氧厚度分别为7nm、4nm和1.4nm。很显然随着栅氧厚度的减小，NBTI退化增大。有些资料中还说明栅极结构中的氮等一些物质对NBTI也有很大的影响，因此增强了器件的NBTI退化。从前面的实验分析讨论可知，除了具体的器件工艺以外，NBTI应力时间，应力温度，负栅压的大小对PMOS器件NBTI寿命都有着非常重要的影响。除此之外，器件的结构如栅宽W，栅长L，栅氧厚度oxt等也与NBTI相关。4.PMOSFET中的NBTI效应机理研究目前人们对NBTI的物理机理有了基本的了解，普遍研究认为PMOSFET中的NBTI效应是和2SiOSi界面处施主性界面态和正氧化层电荷的产生有着密切的关系。人们希望NBTI的退化模型可以用来解释NBTI应力过程中所出现的各种现象，如：阈值电压thV漂移与时间呈小数幂指数关系，指数值约为0.2-0.3;NBTI效应引起的器件退化随着温度及负栅压的增大而增大。本文寻找到了NBTI效应发生的机制以及对器件造成影响的因素，并且建立了关于NBTI效应产生的物理模型。4.1引起器件退化的2SiOSi系统的主要缺陷在PMOS器件中，通常把有栅电极层、栅介质层和Si衬底构成的结构称为栅结构。其中栅电极层的功函数、栅氧介质的厚度、介电常数、介质层电荷及界面缺陷密度等因素直接决定着PMOS器件的阈值电压。在当代的超深亚微米PMOS技术中，栅电极层为重掺杂的多晶硅和硅化物的复合结构，栅介质为高质量的热氧化2SiO。该2SiO介质层与Si衬底组成的硅一二氧化硅系统对器件性能有着至关重要的影响。硅一二氧化硅系统电荷会给器件带来很严重的影响，包括阈值漂移及不稳定性。因此，过去人们为解决硅器件的稳定性问题，对硅一二氧化硅系统的性质进行了相当广泛而深入的研究。同时NBTI退化与这个系统在应力作用下缺陷电荷态的变化是密切相关的。4.1.12SiOSi系统的主要缺陷首先我们先看几个在硅一二氧化硅系统中的定义，这些电荷和NBTI效应失效有着必然的联系。二氧化硅中的固定表面电荷。在硅一二氧化硅系统中，当通过种种措施防止和消除了可动离子的沾污后，仍然发现存在着大量的正电荷。由于这种准界面电荷在制备中可重复的进入器件，并且在偏置一温度应力下保持位置固定，因此被称为固定电荷。界面陷阱电荷。界面陷阱(也称为表面态或界面态)是指存在于硅．二氧化硅界面处而能值位于硅禁带中的一些分立的或连续的电子能态(能级)，由于它们可以在短时间内和衬底半导体交换电荷，因此又被称为快界面态。硅一二氧化硅系统缺陷的增加是造成器件退化的主要原