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氮离子注入对栅氧化层TDDB可靠性的影响

作　者: 冯军宏
导　师: 孙清清; 甘正浩
学　校: 复旦大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 栅氧可靠性 GOI TDDB 氮离子注入
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着技术的不断发展,为了满足器件性能的要求,超大规模集成电路(ULSI)的栅氧化层的厚度不断的减薄,由20-30nm降至几个纳米。然而,满足器件性能要求的工作电压却不能不断下降,目前降低至1.0V已经到了瓶颈。因此,单位厚度的栅氧化层在工作时承受的电场强度越来越高,使栅氧化层的可靠性成为一个突出的问题和挑战。栅氧抗电性能不好将引起MOS器件电参数的不稳定,如阈值电压的漂移,跨导下降、漏电流增加等,进一步可引起栅氧的击穿,导致器件的失效,使整个集成电路陷入瘫痪状态。因此,提高栅氧化膜的抗击穿可靠性,包括与时间有关的击穿(TDDB)和零时击穿(TZDB),多年来一直是超大规模集成电路可靠性研究领域关注的热点,也是限制集成度提高的重要原因。氮的离子注入经常用于提高器件性能和减少栅氧化层的漏电流,增加栅氧化层的k值,但却很少有研究专注于氮的离子注入对于TDDB的影响。本文将重点研究和分析氮在栅中的离子注入对TDDB可靠性的影响及机理。目前在学术界,对于TDDB可靠性失效的机理认同的主要有阳级氢离子释放模型(hHR)和阳极空穴注入模型(HHI)[3。本文将对TDDB可靠性对于这两种失效机理的测试方法和具体模型作详细介绍。通过研究发现,氮在栅氧化层中的离子注入可以提高N型场效应晶体管的TDDB可靠性,相应的,栅氧化层的漏电流在持续的偏压作用下也逐渐减少,并且,其减少的趋势与程度高于没有氮离子注入的栅氧化层,并且其漏电流减小的程度随着氮在栅中离子注入的能量变高而变的明显。通过进一步研究发现,氮在栅氧化层中注入提高TDDB可靠性的机理主要是因为氮在栅中扩散到栅氧化层的界面并增加了电子陷阱态数量,并且,在实验中,进一步确定了电子陷阱态密度会随着氮在栅中注入的能量的增加而增加。在这些电子陷阱态得作用下,在持续的偏压作用下的栅极氧化层中通过的的漏电流不断的减小,最终增加了TDDB的击穿时间。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
第一章引言  6-13
  第一节集成电路工艺可靠性问题概述  6-7
  第二节本文所述内容  7-8
  第三节可靠性工作的内容与数学模型  8-13
    1.3.1 可靠性的基本数学概念  9-10
    1.3.2 工艺可靠性分析中的寿命分布模型  10-13
第二章栅氧可靠性测试介绍和分析  13-22
  第一节栅氧可靠性测试方法分类  13-14
  第二节 TDDB的测试方法和测试结构概述  14-18
    2.2.1 TDDB的测试方法  14-15
    2.2.2 TDDB的测试结构  15-18
  第三节栅氧击穿的分类与测试条件  18-22
    2.3.1 栅氧击穿的分类  18-20
    2.3.2 TDDB测试条件的选取  20-22
第三章栅氧TDDB的实验过程  22-30
  第一节实验样本的制造工艺  22-24
  第二节实验中TDDB可靠性测试过程  24-30
    3.2.1 试验仪器和环境的准备  25-26
    3.2.2 TDDB测试算法  26-27
    3.2.3 TDDB测试过程  27-30
第四章实验结果与分析  30-48
  第一节 TDDB测试的数据统计  30-33
    4.1.1 实验数据  30-31
    4.1.2 Well-bull分布统计  31-33
  第二节 TDDB测试的数据分析  33-34
  第三节关于TDDB实验结果的机理模型  34-47
    4.3.1 TDDB机理和模型  34-40
    4.3.2 氮离子注入对TDDB的影响及机理分析  40-41
    4.3.3 氮离子注入对TDDB隧穿电子的影响及机理分析  41-43
    4.3.4 氮离子注入对界面陷阱电荷的影响及机理分析  43-47
  第四节结论  47-48
第五章总结与展望  48-49
参考文献  49-50
致谢  50-51

氮离子注入对栅氧化层TDDB可靠性的影响

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