高柵壓低漏壓條件下FG-pLEDMOS的熱載流子退化機(jī)理

萬(wàn)維俊 劉斯揚(yáng) 孫 虎 孫偉鋒

(東南大學(xué)國(guó)家專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京 210096)

p型橫向延伸漏區(qū)MOS管(p-type lateral extended drain MOS transistors，pLEDMOS)具有工作電壓高、導(dǎo)通電阻小、制造工藝簡(jiǎn)單以及易于與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，在等離子平板顯示驅(qū)動(dòng)芯片、電源管理芯片以及半橋驅(qū)動(dòng)芯片等產(chǎn)品中被廣泛地應(yīng)用.其中，pLEDMOS的柵氧化層必須做得很厚，以便在器件開(kāi)態(tài)下能夠承受很高的柵源電壓.實(shí)際工藝中，為了節(jié)約制造成本，常利用場(chǎng)氧化層做柵氧化層(field gate oxide，F(xiàn)G)［1］.但由于厚柵氧的阻擋作用，在制造過(guò)程中很難利用自對(duì)準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)源端的P+注入.為了防止器件溝道不開(kāi)啟，在生長(zhǎng)厚柵氧以及淀積多晶硅前，在器件源端先以高能量注入硼離子形成一個(gè)p型緩沖區(qū)(pbuffer region)，從而形成了FG-pLEDMOS器件中特有的結(jié)構(gòu).實(shí)際工作中，F(xiàn)G-pLEDMOS主要用作輸出驅(qū)動(dòng)電路的上管，工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即低柵源電壓(Vgs)和高漏源電壓(Vds)或高柵源電壓(Vgs)和低漏源電壓(Vds)條件下［2］.目前，對(duì) pLEDMOS器件的熱載流子效應(yīng)的研究主要集中在低Vgs和高Vds條件下［3-5］，而對(duì)于高 Vgs和低 Vds應(yīng)力條件下的熱載流子退化至今仍然鮮有報(bào)道.文獻(xiàn)［6］的研究結(jié)果表明，在高 Vgs和低 Vds條件下，nLEDMOS器件中的熱載流子退化主要是由于在溝道區(qū)靠近源端處的熱載流子注入引起的.然而，與nLEDMOS不同的是，在FG-pLEDMOS中，由于源端特有的p型緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，高Vgs和低Vds應(yīng)力條件下的熱載流子退化存在新的機(jī)理，影響器件性能的退化.

本文研究了高Vgs和低Vds應(yīng)力下FG-pLEDMOS器件的熱載流子退化機(jī)理，并揭示了不同p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度影響FG-pLEDMOS器件退化的機(jī)制.

1 器件結(jié)構(gòu)

圖1為基于0.5 μm體硅工藝制造研究的FG-pLEDMOS器件的剖面結(jié)構(gòu)圖，主要結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)如下:漂移區(qū)長(zhǎng) 5 μm，溝道區(qū)長(zhǎng) 4 μm，p 型緩沖區(qū)與柵極的交疊區(qū)長(zhǎng)A=0.3 μm，柵距源端P+的距離B=0.6 μm，柵氧化層的厚度與場(chǎng)氧化層的厚度相同，均為 400nm.該器件的開(kāi)啟電壓為－10.5 V，關(guān)態(tài)擊穿電壓為100 V.為了研究器件的退化機(jī)理以及不同p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度對(duì)器件熱載流子退化的影響，對(duì)圖1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)A設(shè)置了多個(gè)不同值，并流片制造.本文所研究的器件均為4端口，以便進(jìn)行電荷泵(charge pumping，CP)測(cè)試.

圖1 FG-pLEDMOS的剖面結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試方法

2.1 應(yīng)力退化測(cè)試

為了研究高Vgs和低Vds應(yīng)力條件下的退化，選用的應(yīng)力條件為Vgs=－100 V，Vds=－10 V，整個(gè)應(yīng)力過(guò)程在室溫下進(jìn)行，且周期性地每過(guò)一段時(shí)間監(jiān)測(cè)一次器件的線性區(qū)漏電流 Idlin(在 Vgs=－15 V，Vds=－0.1 V條件下測(cè)得)和閾值電壓Vt(Vgs從0 V 掃到 －15 V，Vds= －0.1 V，利用最大跨導(dǎo)法求得).總應(yīng)力時(shí)間為5 000 s.

2.2 電荷泵測(cè)試

電荷泵技術(shù)作為一種目前最有效的研究熱載流子造成器件退化的技術(shù)手段，能夠直接測(cè)量MOS器件柵極下方的硅和二氧化硅界面的界面態(tài)數(shù)量(Nit)及分布，從而反映出器件受熱載流子損傷的程度和位置.對(duì)于p型MOS器件，器件的源端與漏端短接并與襯底間接一反偏電壓，通過(guò)給柵極加一脈沖電壓，使柵極下方區(qū)域在“反型”與“積累”之間不斷變化，在“反型”狀態(tài)時(shí)，來(lái)自源端和漏端的空穴會(huì)被柵極下方硅和二氧化硅界面處的界面態(tài)俘獲;當(dāng)處于“積累”狀態(tài)時(shí)，這些被俘獲的空穴便會(huì)和來(lái)自襯底的電子復(fù)合，在襯底端產(chǎn)生復(fù)合電流即電荷泵電流(Icp)［7-8］.Icp與對(duì)應(yīng)柵下的界面態(tài)密度(Dit)成正比，因此器件在應(yīng)力前后差值Icp的大小即可反映出器件界面態(tài)密度在應(yīng)力過(guò)程中的增量大?。?］.為了提取器件柵極下方不同區(qū)域的界面態(tài)數(shù)量，對(duì)器件柵極下方各個(gè)區(qū)域分別達(dá)到“積累”、“反型”狀態(tài)所需要的柵壓進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示，并定義達(dá)到積累狀態(tài)的柵壓為Vgh，達(dá)到反型狀態(tài)的柵壓為Vgl.

圖2 柵極下方各區(qū)域的Vgh與Vgl的仿真結(jié)果

對(duì)于本文研究的FG-pLEDMOS，柵極下方區(qū)域包括溝道區(qū)、積累區(qū)、p型緩沖區(qū)，總的Icp應(yīng)為溝道區(qū)、積累區(qū)、p型緩沖層區(qū)3個(gè)區(qū)域的Icp的疊加，圖3為通過(guò)變化脈沖基準(zhǔn)電壓(Vbase)得到的CP曲線.利用圖2中的數(shù)據(jù)，可以區(qū)分出3個(gè)區(qū)域在總的CP曲線上的主要作用區(qū)間，也可以得出器件中所關(guān)心位置的Icp，通過(guò)比較應(yīng)力前后該位置Icp的差值(ΔIcp)來(lái)反映該處在應(yīng)力過(guò)程中界面態(tài)的增量.

圖3 FG-pLEDMOS的 CP 測(cè)試曲線(A=0.3 μm)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 高Vgs和低Vds下的退化機(jī)理

圖4為該器件在高 Vgs和低 Vds下Idlin和 Vt隨應(yīng)力時(shí)間的退化曲線，其中，ΔIdlin為漏電流退化量，ΔVt為閾值電壓退化量.從圖中可以看出，Vt在應(yīng)力過(guò)程中基本沒(méi)有退化，而Idlin隨著應(yīng)力時(shí)間的增加不斷減小，在1 000 s之后，退化逐漸趨于飽和，這與文獻(xiàn)［10］的結(jié)論一致.

圖4 Idlin與Vt隨應(yīng)力時(shí)間的退化曲線

閾值電壓Vt基本沒(méi)有退化，表明在應(yīng)力過(guò)程中柵氧化層并沒(méi)有俘獲電荷，而Idlin不斷減小，表明載流子的有效遷移率不斷降低.為了揭示其中的退化機(jī)理，利用二維TCAD仿真軟件對(duì)器件內(nèi)部垂直于Si/SiO2界面的縱向電場(chǎng)和靠近Si/SiO2界面處的碰撞電離率的分布進(jìn)行了仿真.圖5(a)為高Vgs和低Vds下沿Si/SiO2界面縱向電場(chǎng)的分布，縱向電場(chǎng)為負(fù)，表明其方向?yàn)閺捏w內(nèi)指向表面，有利于空穴的注入，另外，縱向電場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在溝道區(qū);圖5(b)為相同條件下沿Si/SiO2界面碰撞電離率的仿真結(jié)果，與縱向電場(chǎng)的結(jié)果類(lèi)似，碰撞電離率主要出現(xiàn)在溝道區(qū)，且峰值位置與縱向電場(chǎng)相同.由圖5可知，在高Vgs和低Vds條件下，由于嚴(yán)重的碰撞電離，溝道區(qū)出現(xiàn)了大量的電子空穴對(duì)，其中空穴在縱向電場(chǎng)的加速下，注入到柵氧化層，但空穴并沒(méi)有被柵氧化層俘獲，而是形成大量的界面態(tài)，進(jìn)而造成溝道區(qū)中載流子的有效遷移率降低，導(dǎo)致線性區(qū)漏電流Idlin的退化.

圖5 pLEDMOS中柵極下方SiO2/Si界面的仿真結(jié)果

3.2 不同p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度對(duì)退化的影響

圖1顯示出p型緩沖區(qū)主要由A，B兩段組成，為了研究p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度的影響，這里通過(guò)保持B不變、改變A的長(zhǎng)度得到了3種不同p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度的器件，其中 A 分別為0.3，0，－0.3 μm.由于Vt在應(yīng)力過(guò)程中基本沒(méi)有退化，因此這里只比較3個(gè)器件的Idlin隨應(yīng)力時(shí)間的退化，結(jié)果見(jiàn)圖4.從圖中可以看出，3個(gè)器件的退化趨勢(shì)相同，p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度越小，Idlin的退化量則越大.

圖5(a)為3個(gè)器件Si/SiO2界面的縱向電場(chǎng)隨器件橫向位置的分布情況.圖中顯示，3個(gè)器件縱向電場(chǎng)的峰值都出現(xiàn)在溝道區(qū)，不同之處在于峰值所對(duì)應(yīng)的器件橫向位置以及峰值大小的變化.峰值橫向位置的變化由溝道下方的電勢(shì)分布決定，而電勢(shì)的分布取決于零電位(0 V)的p型緩沖區(qū)、高負(fù)電位(－100 V)的柵極以及低負(fù)電位(－10 V)的漏極.因此，p型緩沖區(qū)相對(duì)柵位置的變化必然引起電勢(shì)分布的變化，從而導(dǎo)致縱向電場(chǎng)峰值位置有相應(yīng)的偏移.另一方面，電勢(shì)分布的變化又會(huì)引起縱向電場(chǎng)峰值本身大小的改變.在Si/SiO2界面處，縱向電場(chǎng)的大小反映了注入的難易程度，縱向電場(chǎng)越大，就越有利于空穴的注入.圖5(b)給出了3個(gè)器件中靠近Si/SiO2界面處碰撞電離率隨器件橫向位置的分布情況.與縱向電場(chǎng)的分布類(lèi)似，不同器件中碰撞電離率也出現(xiàn)峰值位置和大小的變化.碰撞電離率的大小反映了該處產(chǎn)生電子空穴對(duì)的多少，電離產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多，就會(huì)有越多的載流子經(jīng)縱向電場(chǎng)的加速對(duì)該處界面造成損傷，形成界面態(tài).圖5(b)中仿真數(shù)據(jù)顯示，p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度的微小變化導(dǎo)致了碰撞電離率高達(dá)3倍的差異.結(jié)合圖5(a)和(b)可以看出，隨著p型緩沖區(qū)的減小，溝道區(qū)的縱向電場(chǎng)變大，同時(shí)，溝道區(qū)的碰撞電離率也成倍地增大，這就使得有更多的空穴對(duì)Si/SiO2界面造成損傷，形成更多的界面態(tài)，從而導(dǎo)致Idlin的更大退化.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證3個(gè)器件在應(yīng)力過(guò)程中的退化機(jī)理，進(jìn)行了CP實(shí)驗(yàn).在應(yīng)力退化實(shí)驗(yàn)中，分別在選定的時(shí)間點(diǎn)對(duì)器件進(jìn)行CP測(cè)試.選擇縱向電場(chǎng)和碰撞電離率的峰值位置即退化最嚴(yán)重的位置，測(cè)得應(yīng)力過(guò)程中不同器件在該位置處的ΔIcp(用ΔIcp，Emax表示)隨應(yīng)力時(shí)間的變化，結(jié)果如圖6所示.從圖中可以看出，p型緩沖層區(qū)越小，ΔIcp，Emax隨應(yīng)力時(shí)間的增長(zhǎng)越快.結(jié)合前面給出的CP測(cè)試的基本原理可知，CP電流正比于界面態(tài)密度，應(yīng)力過(guò)程中CP電流的變化反映了界面態(tài)密度的變化.由CP實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，界面態(tài)數(shù)量的增加趨勢(shì)與器件Idlin退化的趨勢(shì)一致，從而驗(yàn)證了對(duì)器件退化機(jī)理的解釋.

圖6 最大電場(chǎng)位置處的ΔIcp隨應(yīng)力時(shí)間的變化

4 結(jié)語(yǔ)

研究了高Vgs和低Vds應(yīng)力條件下FG-pLEDMOS器件的熱載流子退化機(jī)理以及器件源端p型緩沖區(qū)長(zhǎng)度對(duì)器件熱載流子退化的影響.研究結(jié)果表明，在高Vgs和低Vds應(yīng)力條件下，熱載流子退化的原因是由溝道區(qū)界面態(tài)產(chǎn)生的，且增加p型緩沖區(qū)的長(zhǎng)度，會(huì)使溝道區(qū)熱載流子退化得到一定的改善.實(shí)際在設(shè)計(jì)p型緩沖區(qū)的長(zhǎng)度時(shí)，還要綜合考慮到對(duì)導(dǎo)通電阻和閾值電壓等參數(shù)帶來(lái)的影響.

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