一种计算纳米CMOS器件中应力致界面态的方法

马丽娟，徐 跃

(1.南京高等职业技术学校 电气工程系，江苏 南京 210019；2.南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210023)

0 引言

随着集成电路技术的不断发展，集成电路技术节点逐渐减小到纳米级，半导体器件的可靠性问题严重制约器件的寿命.影响CMOS器件的应力主要包括：负栅压温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability, NBTI)、热载流子注入效应(Hot Carrier Injection, HCI)和栅氧化层经时击穿(Time-Dependence Dielectric Breakdown, TDDB)等[1-5].CMOS器件中施加这些应力时，在Si/SiO2界面和氧化层中产生界面态和氧化层陷阱，这些缺陷随着应力时间的增加会不断地积累，引起器件的阈值电压、迁移率、跨导等参数发生变化，导致漏极电流减小和器件退化.随着CMOS器件尺寸不断缩小，这种退化对器件性能的影响更加严重.因此，CMOS器件中应力致界面态的定量描述问题显得尤为重要.

过去几十年中，人们进行了不懈的努力，研究出很多方法来表征应力产生的界面态.在CMOS器件中，应用最广泛的是电荷泵(Charge pumping, CP)测量技术[6-8].然而，随着器件尺寸的减小，氧化层厚度不断缩小，CP技术变得越来越具有挑战性.因为传统的CP方法在测量小尺寸器件电流过程中，栅极漏电流(IL)较大，甚至覆盖了电荷泵电流(Icp)，导致数据采集和分析困难，传统的CP方法已完全不可行.

近年来，一些新的测量技术不断地被提出，包括CP技术的改进方法.Steve S.Chung在传统CP方法的基础上给出了一个IFCP(Incremental Frequency Charge Pumping)方法[9]，该方法通过测量两个不同频率下的电荷泵电流之差，在较大的栅极漏电流中提取出真实的电荷泵电流，计算出缺陷密度；Ryan J.T.提出了一个FMCP(frequency-modulated Charge Pumping)方法[10]，克服了小尺寸器件中电荷泵测量的漏电流问题，在具有高漏电流的小器件中，有效地测量出界面态密度.这两种方法都需要测量不同频率的电荷泵电流，并将其相减去掉IL，从而提取出真实的电荷泵电流.

本文提出了一种改进的CP测量方法，利用此方法通过测量固定频率下CMOS器件初始状态和施加应力后的电荷泵电流之差，提取真实的电荷泵电流，计算出应力产生的界面态密度.测量过程中，脉冲频率固定不变，提高了测量结果的准确度.

1 理论推导

电荷泵技术的基本实验装置如图1所示.为了CMOS器件能够进行传统的CP实验，将源极、漏极和衬底同时接地，栅极接一个电压脉冲发生器，施加波形如图2所示的脉冲电压.

图1 电荷泵技术的基本实验装置 图2 固定脉冲幅度扫描的脉冲波形示意图

当栅极接正脉冲时，CMOS器件处在强反型，电子从源极和漏极不断流向沟道，其中一部分会被界面态所俘获；当栅极脉冲变为负脉冲时，器件变成积累状态，沟道内的电子流回源极和漏极，而已经被界面态俘获的电子没有足够的时间发射回导带，此时衬底的空穴流向沟道，其中一部分与界面态俘获的电子复合，界面态俘获空穴.在栅电压从负脉冲再次变为正脉冲时，沟道中的空穴流向衬底，而界面态俘获的空穴来不及发射回价带并与从源漏极流入的电子复合，界面态重新俘获电子.从整个周期来看，衬底有净的直流空穴电流被抽入界面态中.这个直流空穴电流被称为电荷泵电流(Icp).Icp与界面态密度Nit成线性关系：

Icp=qAfNit

(1)

其中，q为电荷量，A为器件面积(栅长L×栅宽W)，f为CP实验的脉冲频率，在实验过程中q、A和f为固定值，Nit可以根据式(1)和测量的Icp计算得到.

如图1所示实验，在器件衬底接一个电流表，用来测量栅极到衬底的电流(Isub)，当器件栅极加电压脉冲进行定幅扫描时，测量得到的Isub为电荷泵电流和栅极漏电流之和：

Isub=Icp+IL

(2)

在厚栅器件中，一般认为Isub=Icp，随着器件尺寸和氧化层厚度的缩小，IL越来越大，当器件尺寸达到纳米级时，IL甚至已经覆盖了Icp.为了表征Nit，需要从Isub中消除大漏电流的影响，提取出Icp值.

本文首先测量器件初始状态下的Isub，然后对器件施加热载流子注入应力(HCI)，一定应力时间后，器件Si/SiO2界面产生界面态缺陷.在相同脉冲频率下再次测量器件的Isub值，将两次Isub值相减，得到电荷泵电流的差值ΔIcp，这个差值是由界面态密度的变化引起的，因此：

ΔIcp=qAfΔNit

(3)

根据式(3)可以计算出HCI应力产生的界面态密度变化量：

ΔNit=ΔIcp/qAf

(4)

2 实验器件

所用CMOS器件参数: 沟道长度(L)为45 nm，沟道宽度(W)为10 μm，氧化层厚度(TOX)为2.6 nm，沟道掺杂(NA)为1×1020/cm3.

3 计算与讨论

随着器件尺寸和氧化层厚度的缩小，栅极漏电流越来越大.图3示意性地说明了增大栅极漏电流对Icp测量的影响.对于图3(a)中栅介质较厚的器件，栅极漏电流远低于Icp，因此可以忽略不计.图3(b)中，栅介质较薄的器件，栅极漏电流较大，甚至已经覆盖了Icp，则不能忽略.这种方案的主要障碍在于对Icp和IL组成的衬底电流Isub的测量精度, 一旦Icp变成衬底电流的一小部分，Icp就很难精确分辨.简单地说，就是要从大的衬底电流中提取出Icp是十分困难的.

图3 厚栅器件(a)与薄栅器件(b)中栅极漏电流IL与电荷泵电流Isp的对比关系

图4表明了一个栅极厚度为2.6 nm高漏电流器件的衬底电流测量情况.给器件施加图1所示的电荷泵实验，栅极加电压脉冲进行定幅扫描，保持脉冲的幅度(1 V)和频率(1 MHz)恒定，上升和下降时间为10 ns，扫描脉冲如图2所示.VB从-1 V增大到0 V，每变化10 mV测量一次Isub.测量得到的Isub随VB的变化关系，通常称为Elliot曲线[6]，如图4所示.在传统电荷泵实验中，一般认为Isub=Icp，而图4中的Isub没有出现尖峰，说明相对于Isub，栅极漏电流很大，Isub不能直接视为Icp，为了得到界面态必须要提取出Icp.

图4 器件初始状态下衬底电流Isub随基准电压VB的变化曲线

在CMOS器件上施加热载流子注入应力(HCI)，产生界面态缺陷.在器件上施加极端的HCI退化条件:VDS=1.1 V,VGS=1.1 V，应力时间为1 000 s.对纳米器件施加HCI应力后，在靠近栅极的区域内发生电子-电子散射，Si/SiO2界面产生界面态，改变了器件的阈值电压、迁移率，跨导等参数，使得漏极电流减小，引起器件的退化.

图5 HCI应力后电荷泵电流随基准电压VB的变化曲线

图6 HCI应力引起的电荷泵电流的变化量ΔIcp随VB的变化曲线

4 结论

本文方法测量精度较高，能广泛应用于CMOS、SONOS、FLASH等多种MOS器件结构，并且实验方法简单、易操作.该方法主要针对纳米CMOS器件应力致缺陷表征方法，有利于促进纳米小尺寸CMOS器件可靠性研究.