《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术

1载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术1载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术内容简述：为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小。但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是等比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强，当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应（HotcarrierInject--HCI）。因为热载流子注入效应会导致几个严重的问题，最终使器件和芯片失效。为了改善热载流子注入效应，半导体研发人员提出利用降低漏端与衬底pn结附近的峰值电场强度的LDD工艺技术来改善热载流子注入效应。3.4热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------------------3.4.1热载流子注入效应简介-----------------------------------------------------------3.4.2双扩散漏（DDD）和轻掺杂漏（LDD）工艺技术--------------------------3.4.3隔离侧墙（SpacerSidewall）工艺技术--------------------------------------3.4.4轻掺杂漏离子注入和隔离侧墙工艺技术的工程应用-----------------------3.4热载流子注入效应与轻掺杂漏（LDD）工艺技术3.4.1热载流子注入效应简介为了不断提高器件的性能和单位面积器件的密度，器件的尺寸不断按比例缩小，但是这种按比例缩小并不是理想的，不是所有的参数都是按比例缩小的，例如器件的工作电压不是等比例缩小的，器件的沟道横向电场强度会随着器件尺寸的不断缩小而增加，特别是漏端附近的电场最强。当器件的特征尺寸缩小到亚微米和深亚微米，漏端附近会出现热载流子效应(HotCarrierInject-HCI)。为了更好的理解热载流子效应，我们先来理解一下MOSFET理想的IV特性曲线。当VgVt（Vt为阈值电压）时，首先漏端电流随漏端电压线性增加，因为此时器件沟道的作用可以等效于一个电阻，这个工作区间称为线性区。随着漏端电压不断升高，栅极在漏端附近的反型层厚度不断减小，漏电流偏离线性，这个工作区间称为非线性区。当漏端电压继续不断增大时，漏电流的曲线缓慢变平，直到沟道被夹断，漏电流趋于定值，器件最终进入饱和区。如图3-59所示，是MOSFET理想的电压与电流特性曲线。2载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术2载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术图3-59MOSFET理想的电压与电流特性曲线MOSFET理想的电压与电流特性曲线分为三个区，分别是线性区、非线性区和饱和区。借助图3-60，根据器件的工作原理进行定性讨论。图（a）当VgVt时，NMOS沟道形成反型层，漏端加上很小的漏端电压，电流从源通过导电沟道流到漏，这时沟道的作用可以用一个电阻来表示，漏电流Id随着漏端电压Vd线性增加，器件工作在线性区。随着漏端电压Vd继续增加，由于靠近漏端附近的反型层电荷被漏端电势影响而减小，电流偏离线性关系，器件从线性区进入非线性区，当Vd=Vdsat时器件夹断，漏端附近夹断点的反型层电荷几乎为零，但是反型层电荷不可能为零，沟道还是连续的，如图（b）所示。图（c）是当VdVdsat时，夹断点随着漏端电压增大向源端移动，夹断点的电压Vdsat保持不变，因此从源到达夹断点的载流子数保持恒定，源漏电流也保持恒定，漏端电流几乎不随漏端电压的增加而增加。0.0E+005.0E-041.0E-031.5E-032.0E-032.5E-033.0E-030123456Id(A)Vd(V)Id随Vd的变化曲线Vg=0VVg=1VVg=2VVg=3VVg=4VVg=5VVg=6V线性区非线性区饱和区P+P+PWP-subN+N+N+耗尽区（a）Vs=Vb=0VVgVt0VVdVdsatVb=0V3载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术3载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术图3-60MOSFET工作在线性区、非线性区和饱和区对于工作在饱和区的器件，器件漏端有源区与衬底之间会形成耗尽区，耗尽区的电阻率比强反型的沟道电阻率要大很多，所以器件的等效电阻主要分布在夹断点到漏端有源区之间的耗尽区，大部分的源漏电压都会加载在这个耗尽区。如图3-61所示，是工作在饱和区的NMOS电场等势线分布，在从源端有源区到漏端有源区方向上电场等势线分布是越来越密的，电场强度E=ΔV/ΔL,ΔV是电势差，ΔL是电场等势线的距离，电场等势线分布越来越密表示ΔL越小，最强的横向电场出现在漏端有源区与衬底的交界处。如图3-62所示，是工作在饱和区的NMOS沟道的电场，最强的横向电场出现在漏端有源区与衬底的交界，进入漏端有源区后，横向电场会迅速下降到几乎为零，因为漏端有源区的电阻率很低。虽然随着漏端电压的升高，耗尽区的宽度也会相应的增加，但是增加的耗尽区宽度不足以抵消或者削弱增加的电势差，所以随着器件漏端电压的升高，漏端耗尽区的电场会进一步增强。当沟道载流子进入耗尽区时，在未经晶格非弹性碰撞之前，载流子在强电场的作用下经过若干平均自由程加速而直接获得足够的能量成为高能载流子，这些高能载流子称为热载流子，它的能量高于导带低能量Ec。当热载流子的动能达到3.1eV时，电子可以越过Si/SiO2界面的势垒3.1eV，进入栅极形成栅电子电流。P+P+PWP-subN+N+N+耗尽区夹断点（b）Vs=Vb=0VVgVtVd=VdsatVb=0VP+P+PWP-subN+N+N+耗尽区夹断点（c）Vs=Vb=0VVgVtVdVdsatVb=0V4载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术4载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术图3-61工作在饱和区的NMOS电场等势线分布图3-62工作在饱和区的NMOS沟道的电场对于工作在饱和区的NMOS，在漏端附近的强场区，载流子经过这个强电场区被强电场加速形成热载流子，当电子获得的能量超过半导体禁带宽度的30%时，热载流子会与耗尽区的晶格发生碰撞电离，碰撞电离会产生一群能量非常高的热电子和热空穴，新产生的热电子会有很大一部分到达漏端，形成漏电流，也有非常少的热电子越过Si/SiO2界面的势垒，进入栅氧化层到达栅极形成栅电流。新产生的热空穴会有多种流向，有一小部分会越过Si/SiO2界面的势垒，进入栅极形成栅电流。绝大部分新产生的热空穴会流向衬底，形成衬底电流Isub，因为衬底的电势最低。对于短沟道器件，有一小部分热空穴会到达源端成为源电流。空穴的流向取决于衬底到源端的等效电阻Rsub，当Rsub=0时，几乎所有的空穴都流向衬底，而不会流向栅或者源端，但是Rsub不可能等于0。如图3-63所示，是工作在饱和区的NMOS的电流流向。这种现象就是热载流子注入效应。如图3-64所示，是衬底电流随栅电压Vg变化的曲线。衬底电流是栅电压的函数，呈现独特的抛物线形状，它随着Vg的逐渐增加而增大，达到最大值后减小。最大值通常出P+P+PWP-subVs=Vb=0VVgVtVdVdsatVb=0V耗尽区N+N+N+PWP-sub耗尽区N+N+N+EL5载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术5载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术现在Vg≈Vd/2附近。图3-63工作在饱和区的NMOS管的电流流向图3-64衬底电流Isub随栅电压Vg变化热载流子注入效应会导致几个严重的问题：第一个是器件的阈值电压漂移；第二个是漏极感应势垒降低(DIBL)效应；第三个是NMOS寄生的NPN导通；第四个是闩锁效应。器件的阈值电压漂移是由于热载流子（包括热电子和热空穴）越过Si/SiO2界面的势垒导致的。这些热电子和热空穴会引起栅氧化层损伤导致缺陷或者在栅氧化层中碰撞电离产生氢离子，影响界面态密度，这些界面态和缺陷可以捕捉电荷，导致氧化层充电，充电的栅氧化层会产生纵向电场影响器件的阈值电压，导致器件电特性随工作时间而变化，影响器件的可靠性，造成器件失效。由于流向衬底的热空穴电流与流向栅的热载流子电流是成正比的，而且流向衬底的热空穴电流比流向栅的热电子电流大几个数量级，所以衬底的热空穴电流更容易测量，FAB通常会把衬底电流作为热载流子注入的指标。漏极感应势垒降低(DIBL)效应是由于热空穴流向衬底导致衬底的电压升高引起的。如图3-63所示，因为热空穴流向衬底会形成衬底电流，衬底电流过衬底等效电阻Rsub会形成电势差Vb=Isub*Rsub，同时造成衬底的电压升高了Vb，使得源端与衬底之间的自建势垒高度降低了q*Vb，源端与衬底之间的自建势垒高度降低导致漏端的电子更容易越P+P+PWP-subVs=Vb=0VVgVtVdVdsatVb=0V耗尽区N+N+N+RsubRsubIsubIsubb0.0E+005.0E-061.0E-051.5E-052.0E-052.5E-053.0E-050123456Isub(A)Vg(V)Isub随Vg的变化曲线Vd=3VVd=4VVd=5VVd=6V6载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术6载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术过沟道的势垒，增大漏端的漏电流Id，衬底电流越大DIBL效应就越严重。可用图3-65的NMOS表面源到漏的能带图来说明，漏端的电压是Vd，所以漏端的势垒高度降低q*Vd，衬底PW的势垒高度降低了q*Vb。图3-65NMOS表面源到漏的能带图图3-66NMOS寄生的NPNNMOS寄生的NPN导通也是由于热空穴流向衬底导致衬底的电压升高引起的。如图3-66所示，NMOS自身存在一个寄生的BJTNPN，Rsub是衬底的等效电阻。当热空穴流向衬底会形成衬底电流Isub导致衬底的电压升高了Vb=Isub*Rsub，如果Vb0.6V时，源端与衬底之间的pn结正偏，漏端与衬底之间的pn结反偏，此时NPN正向导通。因为源端与衬底之间的pn结正偏，会有一小部分热空穴进入源端，每一个到达源端的空穴都会引起大量电子注入衬底，这些电子被漏端收集，同时这些电子也会在耗尽区发生碰撞电离产生更多额外的热电子和热空穴，会有更多的热空穴流向衬底，导致Vb进一步增大，同时Isub也增大，所以Isub会在Rsub形成正反馈。当寄生的NPN导通后，已经不能再通过NMOS的栅去关断这个寄生的NPN，这时NMOS寄生的NPN工作在放大区会产生大电流烧毁器件。如图3-67所示，因为受NMOS寄生的NPN导通的影响，NPN导通表现为NMOS的源漏穿通，电流不再受沟道控制，NMOS的源漏穿通电压是一个C的形状。EcEvEfEcEvEfEfq*Vdq*Vb(b)(a)P+P+PWP-subVs=Vb=0VVgVtVdVdsatVb=0V耗尽区N+N+N+RsubRsubIsubIsubb7载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术7载选自《集成电路制造工艺与工程应用》第三章第四节热载流子注入效应与LDD工艺技术图3-67大尺寸NMOS的版图示意图热载流子效应导致NMOS寄生的NPN导通的现象严重影响了芯片的可靠性，为了防止这个寄生的BJT开启，必须减小Rsub和Isub。通常工艺技术平台会有设计