沟道热载流子导致的PDSOI NMOSFET's击穿特性

对热载流子导致的SIMOX衬底上的部分耗尽SOI NMOSFET's 的栅氧化层击穿进行了系统研究．对三种典型的热载流子应力条件造成的器件退化进行实验．根据实验结果,研究了沟道热载流子对于SOI NMOSFET's前沟特性的影响．提出了预见器件寿命的幂函数关系,该关系式可以进行外推．实验结果表明,NMOSFET's 的退化是由热空穴从漏端注入氧化层,且在靠近漏端被俘获造成的,尽管电子的俘获可以加速NMOSFET's的击穿．一个Si原子附近的两个Si—O键同时断裂,导致栅氧化层的破坏性击穿．提出了沟道热载流子导致氧化层击穿的新物理机制．     

沟道热载流子导致的SOI NMOSFET's的退化特性

研究了沟道热载流子效应引起的SOI NMOSFET's的退化.在中栅压应力(Vg≈Vd/2)条件下,器件退化表现出单一的幂律规律;而在低栅压应力(Vgs≈Vth)下,由于寄生双极晶体管(PBT)效应的影响,多特性的退化规律便会表现出来,漏电压的升高、应力时间的延续都会导致器件退化特性的改变.对不同应力条件下的退化特性进行了详细的理论分析,对SOI NMOSFET'S器件退化机理提出了新见解.     

沟道热载流子导致的SOI NMOSFET's的退化特性

研究了沟道热载流子效应引起的SOI NMOSFET's的退化.在中栅压应力(Vg≈Vd/2)条件下,器件退化表现出单一的幂律规律;而在低栅压应力(Vgs≈Vth)下,由于寄生双极晶体管(PBT)效应的影响,多特性的退化规律便会表现出来,漏电压的升高、应力时间的延续都会导致器件退化特性的改变.对不同应力条件下的退化特性进行了详细的理论分析,对SOI NMOSFET'S器件退化机理提出了新见解.     

脉冲应力增强的NMOSFET's热载流子效应研究

 本文研究了交流应力下的热载流子效应,主要讨论了脉冲应力条件下的热空穴热电子交替注入对NMOSFET's的退化产生的影响.在脉冲应力下,阈值电压和跨导的退化增强.NMOSFET's在热空穴注入后,热电子随后注入时,会有大的退化量,这可以用中性电子陷阱模型和脉冲应力条件下热载流子注入引起的栅氧化层退化来解释.本文还定量分析研究了NMOSFET's退化与脉冲延迟时间和脉冲频率的关系,并且给出了详细的解释.在脉冲应力条件下,器件的热载流子退化是由低栅压下注入的热空穴和高栅压下热电子共同作用的结果.     

深亚微米抗辐照PDSOI nMOSFET的热载流子效应

基于中国科学院微电子研究所开发的0.35 μm SOI工艺,制备了深亚微米抗辐照PDSOI H型栅nMOSFET.选取不同沟道宽度进行加速应力实验.实验结果表明,热载流子效应使最大跨导变化最大,饱和电流变化最小,阈值电压变化居中.以饱和电流退化10%为失效判据,采用衬底/漏极电流比率模型,对器件热载流子寿命进行估计,发现同等沟道长度下,沟道越宽的器件,载流子寿命越短.     

DEMOS在热载流子应力下的混合失效模式

研究了18V漏极延伸金属氧化物半导体场效应晶体管(DEMOS)在高栅极电压下的热载流子注入效应。实验观察到两种失效模式,分别是热空穴的注入效应和高栅压导致的阈值电压增大,发现其对器件损伤分别局限在漏极区域和沟道区域,对器件的性能影响正好相反,前者减少了漏极串联电阻,而后者增大了沟道电阻。描述了这两个失效模式的物理过程,分析并讨论了器件参数的退化曲线。讨论了如何提高DEMOS在高栅压下的抗热载流子的能力,指出了漏极上方的氧化层的质量和栅极氧化层中自由电荷数量,对于提高器件的可靠性至关重要。     

热载流子应力下n-MOSFET线性漏电流的退化

研究了不同沟道和栅氧化层厚度的n-M O S器件在衬底正偏压的VG=VD/2热载流子应力下,由于衬底正偏压的不同对器件线性漏电流退化的影响。实验发现衬底正偏压对沟长0.135μm,栅氧化层厚度2.5 nm器件的线性漏电流退化的影响比沟长0.25μm,栅氧化层厚度5 nm器件更强。分析结果表明,随着器件沟长继续缩短和栅氧化层减薄,由于衬底正偏置导致的阈值电压减小、增强的寄生NPN晶体管效应、沟道热电子与碰撞电离空穴复合所产生的高能光子以及热电子直接隧穿超薄栅氧化层产生的高能光子可能打断S i-S iO2界面的弱键产生界面陷阱,加速n-M O S器件线性漏电流的退化。     

热载流子应力下超薄栅pMOS器件氧化层陷阱电荷的表征

利用电荷泵技术研究了4nm pMOSFET的热载流子应力下氧化层陷阱电荷的产生行为.首先,对于不同沟道长度下的热载流子退化,通过直接的实验证据,发现空穴陷阱俘获特性与应力时间呈对数关系.然后对不同应力电压、不同沟道长度下氧化层陷阱电荷(包括空穴和电子陷阱俘获)的产生做了进一步的分析.发现对于pMOSFET的热载流子退化,氧化层陷阱电荷产生分两步过程:在较短的应力初期,电子陷阱俘获是主要机制;而随着应力时间增加,空穴陷阱俘获作用逐渐显著,最后主导了氧化层陷阱电荷的产生.     

热载流子应力下超薄栅p MOS器件氧化层陷阱电荷的表征

利用电荷泵技术研究了 4nmpMOSFET的热载流子应力下氧化层陷阱电荷的产生行为 .首先 ,对于不同沟道长度下的热载流子退化 ,通过直接的实验证据 ,发现空穴陷阱俘获特性与应力时间呈对数关系 .然后对不同应力电压、不同沟道长度下氧化层陷阱电荷 (包括空穴和电子陷阱俘获 )的产生做了进一步的分析 .发现对于 pMOSFET的热载流子退化 ,氧化层陷阱电荷产生分两步过程 :在较短的应力初期 ,电子陷阱俘获是主要机制 ;而随着应力时间增加 ,空穴陷阱俘获作用逐渐显著 ,最后主导了氧化层陷阱电荷的产生.     

超深亚微米LDD nMOSFET中的非幸运电子模型效应

通过对采用0.18μm CMOS工艺制造的两组不同沟道长度和栅氧厚度的LDD器件电应力退化实验发现,短沟薄栅氧LDD nMOSFET(Lg=0.18μm,Tox=3.2nm)在沟道热载流子(CHC)应力下的器件寿命比在漏雪崩热载流子(DAHC)应力下的器件寿命要短,这与通常认为的DAHC应力(最大衬底电流应力)下器件退化最严重的理论不一致.因此,这种热载流子应力导致的器件退化机理不能用幸运电子模型(LEM)的框架理论来解释.认为这种"非幸运电子模型效应"是由于最大碰撞电离区附近具有高能量的沟道热电子,在Si-SiO2界面产生界面陷阱(界面态)的区域,由Si-SiO2界面的栅和漏的重叠区移至沟道与LDD区的交界处以及更趋于沟道界面的运动引起的.     

半开态直流应力作用下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的失效机制分析

本文研究了半开态直流应力条件下,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的退化机制。应力实验后,器件的阈值电压电压正漂,栅漏串联电阻增大。利用数据拟合发现,沟道电流的退化量与阈值电压及栅漏串联电阻的变化量之间有密切的关系。分析表明,阈值电压的退化是引起饱和区沟道电流下降的主要因素,对于线性区电流,在应力开始的初始阶段,栅漏串联电阻的增大导致线性区电流的退化,随后沟道电流退化主要由阈值电压的退化引起。分析表明,在半开态应力作用下,栅泄露电流及热电子效应使得电子进入AlGaN层,被缺陷俘获,进而导致沟道电流退化。其中反向栅泄露电流中的电子被栅电极下AlGaN层内的缺陷俘获,导致阈值电压正漂;而热电子效应则使得栅漏串联区电阻增大。     

含氟超薄栅氧化层的抗击穿特性研究

对含 F超薄栅氧化层的击穿特性进行了实验研究。实验结果表明 ,在栅介质中引入适量的 F可以明显地提高栅介质的抗击穿能力。分析研究表明 ,栅氧化层的击穿主要是由于正电荷的积累造成的 ,F的引入可以对 Si/Si O2 界面和 Si O2 中的 O3 ≡ Si·与 Si3 ≡ Si·等由工艺引入的氧化物陷阱和界面陷阱进行补偿 ,从而减少了初始固定正电荷和 Si/Si O2 界面态 ,提高了栅氧化层的质量。研究结果表明 ,器件的击穿电压与氧化层面积有一定的依赖关系 ,随着栅氧化层面积的减小 ,器件的击穿电压增大。     

超薄栅n-MOSFETs热载流子寿命预测模型

对氧化层厚度为4和5nm的n-MOSFETs进行了沟道热载流子应力加速寿命实验,研究了饱和漏电流在热载流子应力下的退化.在饱和漏电流退化特性的基础上提出了电子流量模型,此模型适用于氧化层厚度为4 5nm或更薄的器件.     

全耗尽异质栅单Halo SOI MOSFET二维模型

为了抑制深亚微米SOI MOSFET的短沟道效应,并提高电流驱动能力,提出了异质栅单Halo SOI MOSFET器件结构,其栅极由具有不同功函数的两种材料拼接而成,并在沟道源端一侧引入Halo技术.采用分区的抛物线电势近似法和通用边界条件求解二维Poisson方程,为新结构器件建立了全耗尽条件下的表面势及阈值电压二维解析模型.对新结构器件与常规SOI MOSFET性能进行了对比研究.结果表明,新结构器件能有效抑制阈值电压漂移、热载流子效应和漏致势垒降低效应,并显著提高载流子通过沟道的输运速度.解析模型与器件数值模拟软件MEDICI所得结果高度吻合.     

pMOS器件的热载流子注入和负偏压温度耦合效应

研究了在热载流子注入HCI(hot-carrier injection)和负偏温NBT(negative bias temperature)两种偏置条件下pMOS器件的可靠性.测量了pMOS器件应力前后的电流电压特性和典型的器件参数漂移,并与单独HCI和NBT应力下的特性进行了对比.在这两种应力偏置条件下,pMOS器件退化特性的测量结果显示高温NBT应力使得热载流子退化效应增强.由于栅氧化层中的固定正电荷引起正反馈的热载流子退化增强了漏端电场,使得器件特性严重退化.给出了NBT效应不断增强的HCI耦合效应的详细解释.     

一种用于分离pMOS器件热载流子应力下氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷对阈值电压退化作用的方法

在电荷泵技术的基础上,提出了一种新的方法用于分离和确定氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷对pMOS器件热载流子应力下的阈值电压退化的作用,并且这种方法得到了实验的验证.结果表明对于pMOS器件退化存在三种机制:电子陷阱俘获、空穴陷阱俘获和界面陷阱产生.需要注意的是界面陷阱产生仍然是pMOS器件热载流子退化的主要机制,不过氧化层陷阱电荷的作用也不可忽视.     

一种用于分离pMOS器件热载流子应力下氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷对阈值电压退化作用的方法

在电荷泵技术的基础上,提出了一种新的方法用于分离和确定氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷对p MOS器件热载流子应力下的阈值电压退化的作用,并且这种方法得到了实验的验证.结果表明对于p MOS器件退化存在三种机制:电子陷阱俘获、空穴陷阱俘获和界面陷阱产生.需要注意的是界面陷阱产生仍然是p MOS器件热载流子退化的主要机制,不过氧化层陷阱电荷的作用也不可忽视.     

超薄栅n-MOSFETs热载流子寿命预测模型

对氧化层厚度为 4和 5 nm的 n- MOSFETs进行了沟道热载流子应力加速寿命实验 ,研究了饱和漏电流在热载流子应力下的退化 .在饱和漏电流退化特性的基础上提出了电子流量模型 ,此模型适用于氧化层厚度为 4— 5 nm或更薄的器件     

超深亚微米LDD nMOSFET中的非幸运电子模型效应

通过对采用0.18μm CMOS工艺制造的两组不同沟道长度和栅氧厚度的LDD器件电应力退化实验发现，短沟薄栅氧LDD nMOSFET（Lg=0.18μm，Tox=3.2nm）在沟道热载流子(CHC)应力下的器件寿命比在漏雪崩热载流子（DAHC）应力下的器件寿命要短，这与通常认为的DAHC应力（最大衬底电流应力）下器件退化最严重的理论不一致．因此，这种热载流子应力导致的器件退化机理不能用幸运电子模型（LEM）的框架理论来解释．认为这种“非幸运电子模型效应”是由于最大碰撞电离区附近具有高能量的沟道热电子，在Si-SiO2界面产生界面陷阱(界面态)的区域，由Si-SiO2界面的栅和漏的重叠区移至沟道与LDD区的交界处以及更趋于沟道界面的运动引起的．     

SOI和体硅MOSFET大信号非准静态效应比较研究

研究了全耗尽SOI、部分耗尽SOI和体硅NMOS器件中源、漏、栅和衬底电流的非准静态现象。研究表明,在相同的结构参数下,体硅器件的非准静态效应最强,PDSOI次之,FDSOI最弱。指出了沟道源、漏端反型时间和反型程度的不同是造成非准静态效应的内在原因。最后提出临界升压时间的概念,以此对非准静态效应进行定量表征,深入研究器件结构参数对非准静态效应的影响规律。结果显示,通过缩短沟道长度、降低沟道掺杂浓度、减小硅膜厚度和栅氧厚度、提高埋氧层厚度等手段,可以弱化SOI射频MOS器件中的非准静态效应。