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90nm CMOS器件强场可靠性研究

马晓华  
【摘要】: 当集成电路工艺进入到90nm节点以后,器件的可靠性问题将成为延缓集成电路加工水平沿着Moore定律继续延伸的主要困难之一。研究已经发现在90nm工艺中,无论是NMOS器件还是PMOS器件,大多数的可靠性问题都在加剧,除了尺寸减小导致电场增强因素,工艺的改进也会增加新的可靠性问题。本论文主要对90nm工艺中的超薄栅、超短沟道器件的强场可靠性问题进行了研究,并分析了它们导致器件性能退化和寿命缩短的机理。论文主要研究工作和成果如下: 论文首先对超薄栅氧化层在电压应力下的退化和失效机理进行了研究。在栅氧化层的厚度为1.4nm时,栅氧的可靠性问题变得更加复杂。这表现在采用现有TDDB模型预测的栅氧化层寿命变长,但这个过程中出现的软击穿同样会导致器件性能的退化,这是由于对于这个厚度的栅氧化层,隧穿导致栅电流增加,能量很难在栅氧化层中的局部区域聚集,发生栅的热击穿就比较困难。因此,对于栅氧小于这个厚度的器件,我们不能采用以前的TDDB方法来评估器件寿命。 NMOS器件的热载流子(HC)效应在90nm工艺节点下没有改善的趋势,相反,在横向和纵向电场都增强的情况下,热载流子对器件性能的退化更加严重。通过实验我们发现,对于沟道长度小于90nm的器件,器件的最坏热载流子应力条件由早期的Vg=Vd/2变为Vg=Vd,而导致器件在热载流子应力下性能退化的主要原因不仅仅是耗尽区中碰撞产生的幸运载流子,栅/漏交叠区的界面损伤和栅氧化层的软击穿都会加剧热载流子效应。在对不同器件结构和不同温度条件下NMOS器件的热载流子效应研究中我们还发现,热载流子效应对于器件的线性区电流特性的影响比饱和区大,而且随着器件温度的增加,热载流子效应有改善的趋势。根据不同的动态应力条件,器件的热载流子效应可能是改善,也可能是加剧,但其退化量最终都会趋于在直流应力下的退化量。 PMOS器件的负偏置温度不稳定性(NBTI)效应在90nm节点后也会越来越严重,这种效应导致PMOS器件的性能退化要远远大于PMOS器件热载流子效应所造成的退化,因此,对PMOS的可靠性研究主要集中在NBTI效应上。研究NBTI应力下器件的退化现象和机理,有助于通过改进工艺来改善PMOS器件的NBTI效应。实验发现,随着器件沟道长度的减小,器件的NBTI效应增强,这个增强的过程主要出现在应力最初阶段。同NMOS器件的热载流子效应相反,PMOS器件的NBTI效应会随着温度的升高而增强,退化同温度的关系服从指数规律。动态应力条件下,由于存在Si-悬挂键的钝化过程,PMOS器件的退化要比直流应力条件下的退化小。 90nm工艺中,Plasma(等离子体)对器件造成的潜在损伤依然存在,这会导致器件的HC效应和NBTI效应增强。提高器件的可靠性,一方面需要从加工工艺上改进,另一方面需要提出新的器件结构。槽栅器件能够从结构上提高器件的可靠性,对DIBL效应的抑制尤其明显。


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