應(yīng)變Si NMOSFET總劑量效應(yīng)

廖晨光，郝敏如

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071)

隨著微電子集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，以互補(bǔ)型金屬氧化物為核心的半導(dǎo)體技術(shù)已進(jìn)入納米尺度，由于正常工作的集成電路受到納米器件二級(jí)物理效應(yīng)產(chǎn)生的影響，各種新技術(shù)以及新材料被國(guó)內(nèi)外各研究院所迫切開(kāi)發(fā)[1-4]，目的是提高器件以及集成電路的特性。應(yīng)變硅技術(shù)由于帶隙可調(diào)、遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，并且其技術(shù)與傳統(tǒng)的 Si工藝技術(shù)相兼容的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于集成電路中，因而成為目前提高應(yīng)變集成技術(shù)的重要途徑之一[5-9]。單軸應(yīng)變相對(duì)于雙軸應(yīng)變更適用CMOS集成電路的制造，因此關(guān)于單軸應(yīng)變Si MOSFET的性能研究備受關(guān)注[10-15]。隨著應(yīng)變集成器件及電路技術(shù)在空間、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在輻照條件下應(yīng)變集成器件及電路的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，因此輻照特性及加固技術(shù)對(duì)應(yīng)變集成器件的研究顯得尤為重要。其中閾值電壓、柵隧穿電流以及熱載流柵電流作為在總劑量輻照條件下器件退化的重要參數(shù)指標(biāo)，基于此，本文應(yīng)用TCAD模擬仿真分析了總劑量、器件幾何參數(shù)、物理參數(shù)等對(duì)閾值電壓、柵隧穿電流以及熱載流子?xùn)烹娏鞯挠绊?。因此，本文仿真結(jié)果為研究納米級(jí)單軸應(yīng)變Si NMOSFET應(yīng)變集成器件可靠性及電路的應(yīng)用提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)。

1 器件結(jié)構(gòu)及仿真分析

采用器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中等效厚度為1 nm，結(jié)深為25 nm，LDD摻雜濃度5e19 cm-3，源/漏極平均摻雜濃度5e20 cm-3，襯底摻雜濃度5e18 cm-3，溝道長(zhǎng)度50 nm，SiN應(yīng)力膜引入溝道張應(yīng)力。納米NMOSFET器件柵氧化層厚度只有幾個(gè)納米，導(dǎo)致溝道反型層中的電子直接隧穿柵介質(zhì)到達(dá)柵電極，形成柵隧穿電流，圖2(a)給出了單軸應(yīng)變Si NMOSFET器件直接隧穿形成柵電流的原理圖。熱載流子?xùn)烹娏魇怯捎谠竭^(guò)氧化物勢(shì)壘從而被柵電極收集形成的，圖2(b)給出了熱載流子?xùn)烹娏餍纬傻钠拭鎴D。

圖1 器件結(jié)構(gòu)

圖2 隧穿及熱載流子?xùn)烹娏餍纬墒疽鈭D

圖3為不同源/漏結(jié)深及溝道長(zhǎng)度下，單軸應(yīng)變Si納米NMOSFET器件閾值電壓隨輻照總劑量的變化曲線(xiàn)。由圖3(a)可以看出，相同溝道長(zhǎng)度下閾值電壓隨著源/漏極結(jié)深的增加而稍微減小，這可以解釋為有效溝道摻雜濃度隨著源/漏結(jié)深的增加而降低，則器件比較容易開(kāi)啟，導(dǎo)致閾值電壓略微降低，并且可以得出源/漏結(jié)深的變化對(duì)閾值電壓的漂移量影響不大。從圖3(b)可以看出，閾值電壓隨著溝道長(zhǎng)度的減小而減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可以解釋為溝道長(zhǎng)度的縮小引起短溝道效應(yīng)的增加，當(dāng)溝道長(zhǎng)度的下降使得源-襯底和漏-襯底耗盡區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重交疊，引起這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)更多的電荷分享，導(dǎo)致柵極電壓對(duì)溝道中的電荷控制能力減弱。因此在相同的輻照劑量下，閾值電壓隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增大，同時(shí)還可以看出閾值電壓漂移量在總劑量輻照效應(yīng)下隨著溝道長(zhǎng)度的變化不大。

圖3 閾值電壓與輻照劑量的變化關(guān)系

圖4為輻照劑量、柵氧化層厚度以及柵介質(zhì)與直接隧穿柵電流密度的仿真結(jié)果。從圖4(a)中可以看出，當(dāng)輻照劑量一定，柵隧穿電流隨柵氧化層厚度減小而增大。柵氧化層厚度越薄，引起柵介質(zhì)層的電場(chǎng)越大，從而導(dǎo)致溝道中反型的電子面密度、碰撞頻率以及隧穿幾率均增大。同時(shí)，由圖4(a)還可以得到，柵電流隨著輻照劑量增大而微小增大，這是由于柵氧化層相對(duì)很薄，氧化層捕獲的空穴很少，輻照引起柵氧化層中產(chǎn)生的氧化層陷阱電荷就越少，最終導(dǎo)致溝道中反型層電子面密度小，故柵隧穿電流隨著輻照劑量的增大變化很小。由圖4(b)可看出，同種柵介質(zhì)下，柵隧穿電流密度隨著輻照劑量的增加而增大，此外，還可得知采用HfO2柵介質(zhì)的器件柵電流小于SiO2和Al2O3柵介質(zhì)，這主要是由于柵介電常數(shù)越大，柵介質(zhì)層的物理厚度就越大，當(dāng)溝道發(fā)生反型時(shí)需要的柵極電壓就越大，即提高了柵極對(duì)溝道電荷的控制能力，因此輻照劑量相等時(shí)閾值電壓漂移越小，導(dǎo)致溝道反型電子面密度越小，因此產(chǎn)生的柵電流就越小。隨著微電子器件尺寸不斷縮小，柵介質(zhì)層僅有幾個(gè)納米的厚度，在薄柵器件以及總劑量輻照條件下，故采用高K柵介質(zhì)材料可以抑制柵隧穿電流的增大。

圖4 柵隧穿電流與輻照劑量變化關(guān)系

圖5為不同輻照劑量下，熱載流子?xùn)烹娏麟S著溝道摻雜濃度以及柵電壓的變化關(guān)系。由圖5(a)可以看出，熱載流子?xùn)烹娏麟S著溝道摻雜濃度的增大而增大，在相同摻雜濃度下，熱載流子?xùn)烹娏麟S著輻照劑量的增大而增大。主要是由于：輻照劑量越大，氧化層中捕獲的空穴越多，閾值電壓漂移越大，導(dǎo)致溝道中表面電子面密度越大，因此熱載流子?xùn)烹娏骶驮酱蟆Ｓ蓤D5(b)可以看出，熱載流柵電流隨著柵電壓的增大而增大，當(dāng)柵電壓越大，氧化層中的電場(chǎng)越大，氧化層中捕獲的陷阱正電荷越多，引起閾值電壓漂移越大，從而溝道中表面電子面密度越大，引起熱載流子?xùn)烹娏鞯脑龃蟆?/p>

圖5 柵電流隨溝道濃度及柵電壓變化

圖6為單軸應(yīng)變Si納米NMOSFET器件的應(yīng)力分布圖以及在不同輻照劑量下溝道中熱載流子的分布圖。由圖6(b)可以看出，溝道中央處的載流子速度隨著輻照劑量的增大而增大，主要是因?yàn)檩椪談┝吭酱?，氧化層中的陷阱正電荷越多，引起縱向電場(chǎng)增大，其與漏極電壓引起的橫向電場(chǎng)疊加導(dǎo)致溝道中的總電場(chǎng)增大，使得溝道中的一部分載流子獲得更多能量使其成為“熱電子”，這些熱電子有能力越過(guò)氧化層最終被柵極收集形成熱載流子?xùn)烹娏鳌?/p>

圖6 溝道中應(yīng)力及載流子的分布圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真γ射線(xiàn)總劑量輻照下，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)以及物理參數(shù)等對(duì)閾值電壓、隧穿柵電流以及熱載流子?xùn)烹娏鞯挠绊懀Y(jié)果表明：在總劑量輻照下，閾值電壓隨著源/漏結(jié)深的增加及溝道長(zhǎng)度的減小而減小，隧穿柵電流隨著柵氧化層厚度的增大及柵介電常數(shù)的減小而增大，熱載流子?xùn)烹娏麟S著溝道中摻雜濃度的減小及柵極電壓的增大而增大。模擬仿真了器件溝道中應(yīng)力和載流子的分布，隨著總劑量的增大引起更多熱電子的產(chǎn)生，因此熱載流子?xùn)烹娏髟龃?。結(jié)合實(shí)際工藝，可以從器件的柵厚度、柵介質(zhì)、溝道摻雜濃度以及外加電壓等參數(shù)考慮，改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)物理參數(shù)改善其在實(shí)際輻照條件下電學(xué)特性的退化。因此，仿真結(jié)果為研究納米級(jí)單軸應(yīng)變Si NMOSFET應(yīng)變集成器件可靠性及電路的應(yīng)用提供了參考。