NMOSFET热载流子效应可靠性及寿命研究

摘要
摘要
随着集成电路的发展，实现电路系统性能的高集成度、高性能以及高可靠性是必然趋势，这就迫切要求缩小单个的器件特征尺寸，力争在单片上集成器件的个数更多，使其功能更为复杂。

但是人们逐渐注意到随着系统中单个器件数量的增多，人们对系统的可靠性要求愈来愈高。

集成电路可靠性问题涉及到器件结构、工艺流程、电路的设计等领域，目前主要的可靠性问题主要包括有热载流子效应，负栅压不稳定，栅氧经时击穿，ESD等，其中由于热载流子效应引起的器件可靠性问题是一个重要的研究方向，对其进行研究对于提高电路可靠性有着相当重要的意义。

热载流子效应不仅导致MOSFET器件特性退化，缩短器件的正常工作时间，而且严重时会影响整个电路甚至系统的性能。

因而，如何建立器件HCI 可靠性模型，精确模拟热载流子效应的可靠性，通过采取什么样的措施来减小热载流子效应对器件特性造成的影响，提高器件的正常工作状况下的寿命值，这是必然要研究的课题。

本文首先对NMOS器件的热载流子效应产生的机理进行了研究，详细分析了热载流子产生的物理过程及物理模型。

其次介绍了热载流子效应的分析方法，重点研究了电荷泵测试，直流应力测试的原理和和具体的实验测试。

文中基于实验室的软硬件平台，设计了在直流应力下热载流子（HCI）电参数可靠性测试的程序，充分考虑到LabVIEW语言编程的开发周期短，可操作性强，界面友好的优点，本软件采用可视化编程，可控性好，利用本程序能很方便的测量提取到热载流子效应下的器件特性。

再次研究了工业界及学术界常用的MOSFET器件失效分析的一些基本概念和方法，详述了用来推断MOSFET器件的寿命模型。

其中比较倍受国内外关注的三种模型分别为：HU提出的Hu提出的d
I/模型、衬底电流模型、漏端电
sub I
压Vd模型，研究了各种模型应用的条件以及需要提取出的参数信息。

最后以BCD公司1.5um NMOSFET为样品，沟道宽度与长度之W/L=20/1.5，分析了应力时间点下的器件特性曲线变化情况。

实验测得的器件转移特性、输出特性在不同应力时间点的退化情况。

MOS器件电参数随应力时间变化的关系，验证了退化趋势符合器件寿命模型，选择器件的一个参数根据寿命模型外推出此种器件的寿命值。

针对热载流子效应对器件特性的影响，提出了抑制热载流子效应的有效方法。

关键词：热载流子效应（HCI） LabVIEW 可靠性寿命模型
ABSTRACT
In recent years , with the rapid development of VLSI and microelectronics technology , it's necessary to implant high integration, high performance and high reliability in complex electric circuits system. That's to say , single MOSFET 's characteristic scale is reduced in order to increase device density on every chip. However, IC reliability is demanded high more and more. Nowadays, reliability problem of IC mainly include technological process 、MOS transistor 、circuit design. Research findings about semiconductor apparatus' reliability problem are focused on hot carrier injection , negative bias temperature instability , time dependent dielectric breakdown, electrostatic damage and so on. HCI reliability is a significant research interest , which can enhance IC reliability. Hot carrier effect induce MOSFET characteristic degradation and short regular working hours, even impact on electric circuits. How establish HCI model and accurately model hot carrier effect. It's meaningful to take effects on HCI , which suppress hot -carrier-effect on MOSFET device. Doing in that's way, device life can be raised to some degree.
In this article, hot carrier injection and generation mechanism on N MOFET are firstly introduced. We discuss physical procedure of hot carrier injection and generation in detail ,otherwise, some classic physical model are analysis.
Then research methods which are popular domestic and overseas about HCI are introduced. We emphatically introduced about principle and equipment of Charge Pumping technology , DC current stress experiment. Making full use of resource in our laboratory, we design the measurement system for HCI parameter based on LabVIEW. It is inefficient and error-prone to test devices by hands with apparatus . To solve this problem, based on the theory of the reliability test of hot carriers, An automatic testing system is designed regarding LabVIEW 8.5 as a platform in this paper.The hard/software construction of this system especially software design and its fuctional realization are introduced.The experimental results show that the system works steadily and measures accurately, which can improves the measuring efficiency to a great extent .Lastly it has good extendability in program function.
Some usual concepts about MOS failure analysis both in Industrial field and academic realm are referred. Three reliability models of MOS HCI, for example , Hu's model, substrate current model and drain voltage Vd model, have been proposed . Analysis their usage respectively. Extract parameters message.
I n the last place, samples who's channel width length ratio (W/L) is 20/1.5 in SIMBCD Semiconductor Manufacture Corporation of Shanghai.Several characteristic curves of device ,such as Id-Vg,Id-Vd, are given at diverse stress time and stress conditions. Experiment result shows variation of device parameter with stress time is direct ratio, we can extrapolate life of the same kind device based on the test data files.
At the end of article, to restrain the hot carrier injection on device, some valid and feasible method were proposed in technical process.
Key Words: hot carrier injection(HCI), LabVIEW, reliability, life model
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第一章绪论
1.1 研究背景
自集成电路问世以来直到近些年来，其已成为现代高新信息科学技术产业的基础，对国民经济的建设、人民生活水平的提高以及现代文明的实现具有重要的战略意义。

随着微电子信息技术的不断进步，通过不断缩小器件的特征尺寸，增加集成度[1-4]以提高电子产品的性价比，这样实现电路系统性能的高集成度、高性能以及高可靠性是VLSI发展的主流方向[5-8]，这就要求不断缩小器件的尺寸，在单片上增加器件的数目，力求实现更多的功能。

由于市场和技术对集成电路的性价比要求逐步攀升，集成电路可靠性问题在其应用中越来越受到重视。

工业界把功能性、经济性、可靠性、安全性作为衡量微电子器件品质的主要指标，半导体产品的可靠性对国防建设，金融，通讯，航天航空等系统的影响可谓“一蚁溃堤”，“一招不慎，系统崩溃”。

在军事、航天等领域对系统可靠性以及相关的质量的要求愈来愈高，有时对集成电路的可靠性甚至比其功能、性能的实现更加受到关注。

随着集成电路的日趋高性能、高可靠性化，集成电路一方面朝着高集成度方向发展，从某种意义上说，集成度不再局限于单片上器件密度的增加，同时更多功能集成、片上系统SOC（system on chip)、片上网络NOC(net on chip)这些都已经发展为集成电路发展的亮点，倍受世人瞩目和行业青睐；另一方面可靠性问题是大规模集成电路发展的“瓶颈”，为了突破这一领域的问题，人们越来越重视这些引起VLSI可靠性的方方面面，并通过不断尝试解决这些难题。

器件尺寸的变小、氧化层厚度的减薄，结深的变化；尽管阈值电压也在减小，但是阈值电压与电源电压的比值却在增加，器件的各种二维效应不断加强[9-11]这对VLSI可靠性问题有着深远的影响。

随着新器件结构的开发、新工艺的不断引入，系统集成度的逐步提高等这些因素都使得器件内电场强度和电流密度不断增大，集成电路器件在极端环境下的应用（如极高低温，大功率，强应力），对可靠性不断提出新的挑战，从而要求人们对可靠性的机制进行更深入的研究，很多工程技术人员对器件的失效模式和机理进行了研究，在实验和理论够提出了改进器件和相关的工艺水平的方法，这样就增加VLSI的可靠度。

VLSI可靠性问题涉及到的方向众多，内容广泛，产生的机理比较复杂，纵观国内外研究成就，目前主要集中在以下几点[12-16]：
1、晶体管可靠性：主要研究热载流子效应（hot carrier injection)、负栅压
不稳定(negative bias temperature instability)等现象都会影响器件的正常工作状态，引起器件特性的退化。

2、栅氧化层的可靠性：栅氧经时击穿（time dependent dielectric breakdown)主要是有关氧化层的击穿机理以及其对器件、电路性能的影响，还有栅介质厚度缩短后出现的新的可靠性问题。

3、静电损伤和闩锁效应：主要是ESD(electrostatic damage)及闩锁（latch up)对器件的影响，除去会对可靠性造成危害，还会阻碍高集成度与高性能的实现。

为抵消这些现象需要在保护电路和工艺流程中所采取的改进措施。

4、电路、产品的可靠性及失效分析技术：主要研究电路和芯片设计中的可靠性问题，对VLSI中的新型失效机理分析后，重新建模来提高电路、芯片的可靠性等。

Cadance,，Intel,IBM等半导体软件设计公司在不断增强可靠性软件设计的能力，不断开发和升级器件电路模拟工具，业界和实验室常用的Spice,Candance，BSIM等很准确的仿真电路及器件的性能，可以提取相关的参数。

高精度的光学分析仪器，如扫面电子显微镜（SEM），X射线衍射仪（XRD）,晶体管特性分析仪、纤维红外热像分析仪等应用到失效分析中，可以对缺陷、失效定位，有力的支持了VLSI及可靠性的研究。

半导体产业的发展，科技的进步使得有关集成电路可靠性领域有了长足的发展，在人们的不懈努力下，对错综复杂的器件失效原因有了清晰的认识，并对其寿命评估和质量可靠性积累了相当的经验，这些都有利于优化电路设计，改进器件性能，增强可靠性程度。

1.2 国内外研究现状
在VLSI的不断发展过程中，MOS器件的工作电压没有随器件特征尺寸的不断缩小而呈等比例缩小, 这样会使得器件沟道区电场增加，电流密度也变大，芯片由于局部温度过高而出现“热点（hotspot)”。

这些将会引起器件损伤相关的可靠性问题，热载流子效应严重影响了器件的特性，限制了电路集成度的提高。

为了提高VLSI的可靠性，减少设计中的风险，国内外学术界和工业界对热载流子效应进行了大量的探索研究，其中在新材料、器件中的新型HCI现象是VLSI 可靠性的重要研究领域。

目前对热载流子效应的研究主要集中在以下几个方面：（1）对HCI产生的物理机制达成了共识，人们对有关HCI进行了初步建模，模型精度的提高，进而关注模型的精确度和实用范围等，比较著名的有HU提出的“幸运电子模型”[5]。

（2）深亚微米MOS器件在静态和动态应力作用下特性退化规律及模型研究。

（3）探索抑制热载流子效应的新型器件结构和电路方面的设
计，通过优化工艺流程来改变器件的几何结构。

对现有的MOSFET器件进行热载流子加固，优化电路的设计，提高电路系统的可靠性。

在CMOS器件尺寸纳米化后，热载流子效应成为限制VLSI寿命和器件集成度[11]的重要可靠性因素之一，人们在“幸运电子”模型的基础上提出了有关推测器件的寿命方法，Isub/Id模型，以及Vd 模型，衬底电流模型[5,27 ]。

针对热载流子效应中出现的栅氧化层电荷退化、电荷陷阱效应等新现象，人们需要研究出现的机理，并对以前的模型重新修改，使其更为精确，以便开展相关的研究。

因为热载流子在氧化层中的俘获量和其中的陷阱电荷密度成正比，界面态与界面质量有关，所以通过提高氧化层、界面态质量可以成为减少热载流子效应引起退化的有效方法；另外就是通过降低电源电压和减小栅氧化层厚度一定程度上可以改善热载流子效应引起的可靠性问题，但提高MOS器件抗热载流子的能力，关键是靠降低沟道区电场强度，使沟道中的热载流子减少或者降低碰撞电离率，降低氧化层中电子-空穴的陷阱效应以及界面态密度。

由于栅氧化物厚度不断缩小，出现大的漏电现象，人们开始采用新的介质材料，HCI在这些新型器件结构和介质材料中对可靠性的影响也成为最近研究工作的热点。

在动态应力下的MOS器件的热载流子效应比静态下复杂的，确定交流应力下的陷阱，陷阱电荷产生的种类数量以及能量分布，通过更新器件结构和电路设计来消减HCI效应，通过改变器件的几何结构和掺杂面来优化设计电路设计[11]。

研究证明对已经的MOS电路进行抗HCI加固，可以实现电路较长时间的可靠性。

基本MOS 轻掺杂漏（lightly doped drain)可以消减热载流子效应对器件性能的影响，同时会导致寄生电容及电阻的增加，从而使输出特性降低。

有研究采用栅漏交叠（gate-drain overlap device) 结构，提高了MOS器件的可靠性。

工艺可以影响到栅氧化层陷阱电荷和界面态的产生，对关键工艺流程优化可以有效降低热载流子效应导致的退化。

近些年来为了提高器件的性能，人们根据器件和工艺的特殊性建立了不同的器件模型，对器件参数进行提取等，包含这些特殊参数的模型可以应用于基本的分析仿真模型，来验证因各种器件的HCI效应，以期提高MOS电路的可靠性。

在热载流子效应的相关研究中，HCI效应对器件特性的影响是人们关注的热点，通过观察MOSFET特征量随应力时间的退化关系，评估热载流子效应对器件的寿命影响。

寻找新的器件结构或优化现有器件结构的方法，用来抑制HCI效应对器件的影响。

通过优化工艺，改进器件的几何结构，实现热载流子效应的加固。

为适应不同器件的要求，人们开发了许多器件的模型及建模方法。

简单模型可以根据对器件的分析以及经验参数的描述，将器件结构和工艺的特殊性考虑到模型中去，很方便人们进行器件方面的研究。

广泛应用的有SPICE，BSIM模型，
其中SPICE在小尺寸器件分析中得到人们的认同，而BSIM系列模型加入了段沟道效应的影响，提高了模型的精确性。

这些都推动了MOSFET器件及电路的精密建模、参数提取。

1.3 本课题的研究意义
随着科技的进步，半导体产业日益成熟，新工艺的引入和器件尺寸的缩小，在单片上集成的器件逐渐增多，这样在电路功能得到提高的同时，也使得VLSI 的可靠性更为重要，更为复杂化[17-18]。

热载流子效应是影响器件可靠性的一个重要因素，它能使器件的特性发生变化，直至引起器件失效。

由于工艺水平的提高、器件结构的改进以及工作环境的不断变化等这些都拭待器件可靠性的提高。

面对种种挑战，人们必须增加对器件可靠性有关的理论和实验进行研究。

在充分理解器件结构和工作原理的基础上，通过对VLSI的工作条件、结构特点、工艺水平等方面进行热载流子可靠性研究，对提高器件电路的可靠性有着深远的影响。

尽管国内外学术界和工业界对热载流子的可靠性问题进行了一个相当长的时期的研究，对其产生的物理机制取得了一定的成果，但随着器件尺度的不断缩小，对新的器件结构和工艺所产生的可靠性问题有待于进一步探索。

在提前器件的特性参数及精确模型的建立方面都需要深入的研究。

本文通过模拟MOS器件电路随应力时间退化，并和实验测量曲线对比验证效果清晰可见，根据仿真测试结果，改进器件的结构，降低热载流子效应对可靠性的影响。

通过精确的可靠性模拟能够推断出器件的寿命，同时也为电路的设计者提供了不同偏压状态下不同的应力时间后器件的电特性数据。

本文所研究的热载流子效应退化是一个经久不衰的可靠性问题，热载流子效应引起的器件特性退化严重威胁到器件的可靠性，可以导致器件失效，一个器件失效对于整个电路甚至系统将产生不可想象的破坏，因此人们通过对MOS器件结构的优化，来提高器件的寿命。

其中轻掺杂结构[19]（LDD)就是一个很有成效的结构，研究表明LDD结构与普通的MOS器件特性有不同的退化规律[20]，对于一般的MOSFET器件，诸如漏区饱和电流、阈值电压、跨导退化量随应力时间在对数坐标系呈线性关系，通过已有的寿命模型，可以准确评估正常工作状态下的HCI可靠性。

而LDD结构中，热载流子的退化则随应力时间呈现饱和态，这些不同，需要人们对不断涌现的新器件结构的退化规律以及寿命模型做进一步探索。

1.4 论文的结构安排
由于现有的测量HCI效应的软件比较发杂且没有针对性，本文首先利用LabVIEW 及MatLab 编写了可以测量器件特性以及测量可靠性的程序，对已有的实验仪器加以利用，不用可以节约成本，节省研究人员的宝贵时间，而且实现数字化测量。

本程序操作简单，界面友好，开发周期比较短，测量精度高，稳定性良好。

文章的结构安排大致如下：第二章是关于HCI效应产生机制及研究方法：HCI 概念，产生机理。

HCI的研究方法重点介绍直流应力试验方法，电荷泵测试方法等；所涉及的物理模型：幸运电子模型，衬底电流模型。

第三章有关HCI电参数测试系统设计，包括对编程语言LabVIEW 及MatLab 的简要介绍；开发的硬件平台和软件设计流程；以及测量的流程，测量的结果。

第四章介绍器件的可靠性相关概念；器件的特征量，失效规律，可靠性分析中常用的寿命模型HU模型 Isup/Id,1/Vd模型，三种方法的共同点是根据测量获得的三个点，可以用外推的方法推算出器件的有效寿命，不仅为产品提供了一项基本参数，在产品出厂前把好质量这一关，还为电路设计工程师在设计电路时提供了参考。

第五章以前面自己设计的软件为平台进行器件的HCI可靠性测试。

施加应力前后的器件特性，并比较不同应力后的器件参数退化量随应力时间的变化规律，通过比较应力前后的测量数据和模型仿真出来的数据比较，根据第四章介绍的MOS器件寿命模型，外推出器件的寿命值。

为了消减HCI的影响，需要对器件结构及工艺方面进行优化，实验数据表明同等应力条件下，通过改变器件工艺和器件结构能够有效降低器件的HCI退化量，可以提高器件的寿命，这样会使器件的可靠性增加。

第六章总结了本文的研究结果，指出了研究中的不足之处以及未来的工作学习中准备探索的方向。

第二章HCI效应及其研究方法
第二章HCI效应及其研究方法
2.1 引言
随着集成电路规模的逐步增加，在市场和技术力量的双重驱动下，微电子器件特征尺寸也顺势而为力求缩小。

随之而来的VLSI可靠性问题变得更为复杂，其中由于热载流子效应引起的退化就是重要的问题之一[21]。

在高能电子、空穴注入到栅氧化层的过程中产生的界面态及氧化层陷阱电荷会引起MOS器件特性的退化，直至失效。

元器件的性能退化会引起电路的可靠性问题，进而造成更大的系统可靠性变差，影响正常的工作。

因此，人们需要孜孜不倦的探索这些引起可靠性问题的现象，寻找退化机理，通过不断更新研究方法，采取有效的措施，从而消除由此带来的电路、器件的可靠性问题。

2.2 热载流子及热载流子效应概念
在强场作用下，MOS器件的热载流子平均动能明显超过在热平衡时的载流子的平均动能，这种载流子就像被“加热了”一样，被称为热载流子[22]。

载流子通过电场获得能量，在碰撞过程中把能量传给点阵。

当载流子获得足够的能量后，就会翻过界面势垒，注入到氧化层之中，会在Si-SiO2交界面产生界面态或者被栅氧化层陷阱电荷所俘获，这样会使引起阈值电压(Vth)的漂移和跨导(Gm)的下降、临界饱和电流等器件电参数随时间发生退化，从而缩短器件及电路的正常工作寿命。

随着CMOS技术的飞速前进，由于半导体器件电源电压未能随器件沟道长度、栅氧化层、结深等在等比例缩小，这使得沟道区电场强度明显增加[22]。

在载流子将在强场的作用下高速运动，获得更高的能量，成为热载流子。

热载流子效应大致可以分为热载流子的产生、注入、栅氧化层载流子俘获,具体物理过程可以表示为如下图2.1 所示。

图2.1 MOSFET热载流子产生及影响
MOS器件的热载流子效应，根据产生和注入的机制，可分为如下两种：
图2.2 沟道热载流子示意图图2.3 衬底热载流子示意图
1 沟道热载流子效应（CHE）沟道中的运动电荷和其倍增电荷在强场作用下，形成了沟道热载流子。

幸运热载流子[ 23]在注入氧化层的过程中会在Si-SiO2界面处形成界面态陷阱，此时可分为两部分，部分热载流子被氧化层中的电荷陷阱所俘获，会导致MOS器件特性退化；也有一部分电子穿过氧化层到达栅极后继而就成为栅电流[24]。

目前主要是通过损伤器件特性的测量以及电荷泵测量等手段，间接提取热载流子在界面以及氧化层中所造成的损伤，研究热载流子损伤机理。

2 衬底热载流子效应（SHE）主要是衬底结的漏电流和其倍增电流导致的载流子
在电场的驱动下向Si-SiO2交界面漂移，同时在表面耗尽区的强场下获得足够到达界面且可以越过势垒的能量，在载流子注入到氧化层后，产生氧化层界面陷阱及陷阱电荷，这会使器件特性发生退化[25]。

在器件特征尺寸缩小至纳米尺度范围后，有一部分热载流子在沟道电场的作用下流入源、漏极而没有到达表面，这在一定程度上减弱了衬底热载流子效应。

由于衬底热载流子是均匀注入，并且还可以控制，故仍把它作为热载流子退化机理研究的重要手段。

其中不同偏压下的沟道热载流子效应更受到人们的广泛关注。

MOS器件在不同的偏压下工作的状态不同，而偏压对沟道和氧化层中电场强度的分布有着很大的影响，在不同的偏置电压下引起沟道热载流子的产生、注入的机制也不同。

就NMOS器件而言，根据不同的栅压，可将沟道热载流子效应分为三个偏置电压应力区。

c当Vgs>=Vds时，即高栅压区，由于沟道中的横向电场比较小，热载流子的数量还不多，故所形成的界面态个数也少，氧化层纵向电场的存在，使得热电子在其方向上容易进入栅氧层中，所以在氧化层中被电荷陷阱所俘获的热电子是导致器件退化的主要因素[26]。

陷阱电荷会因热载流子注入主要集中在漏端电极附近的高场区而在氧化层中的水平方向不均匀分布，并且随着时间变化的推移，退化区向源结方向扩散。

d当Vgs=Vds/2时，中栅压区，MOSFET处于饱和，此时横向电场为最大，碰撞电离几率最大，众多的热载流子的形成使界面态的数量达到最大，这样界面态则成为器件特性退化的“罪魁祸首” [27]。

界面态会随表面势的变化进行充、放电，这样界面态陷阱电荷对MOS器件电性能的影响取决于其偏置条件。

因热载流子形成的界面态引起的器件损伤主要在漏端附近的高电场区域，这种局部损伤的分布在MOS器件中随氧化层厚度的减小而加剧。

e当Vgs=(Vds/4~Vds/2) 时，为低栅压区。

当栅压接近阈值电压时，MOSFET开始进入强反型区域，由于热载流子还很少，只能产生很少的界面态，但此时纵向电场的存在则便于空穴的注入，发生在漏结空间电荷区的雪崩热空穴的注入和俘获[28]则是器件退化的主要原因。

Doyle发现[29]，较长时间空穴的注入只会导致器件产生很小的退化量，紧接的时间短时间的电子注入则会使器件退化显著，只有同样电子而没有空穴注入得条件下，没有如此大的退化量。

在相同的电场下，和空穴相比，电子获得的动能比空穴要大的多，电子的迁移率比较高，界面势垒比较低，因而热电子是NMOS器件中主要的热载流子效应。

长沟道PMOS器件中因热空穴器件损伤在同等电压下NMOS器件的热电子要小很多，因而PMOS的热载流子效应没有引起关注，随着器件尺寸缩小到亚微米、深亚微米、直至纳米 PMOS器件栅氧化层中的沟道缩短和损伤区在沟。