0.25-μm PMOSFETs中热载流子的退化特性和解释

本文研究了深亚微米PMOSFETs的热载流子效应。研究发现热载流子效应包括界面态的产生和氧化层中固定正电荷的形成。通过实验证明了深亚微米PMOSFETs中这两种机制的重要性。首先，氧化层固定正电荷的产生在深亚微米PMOSFETs中起作用，使得器件的阈值电压退化，最终限制了表面沟道晶体管的使用寿命。对于先进的模拟和混合信号的应用，工艺和器件的可靠性必须按照阈值电压的漂移重新定义，而不仅仅依照跨导的退化或者栅氧化层的寿命来定义。其次，空穴注入产生的界面态也影响器件的特性。推断了热载流子效应的形成过程。     

N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管抗热载流子效应的研究

用二维器件仿真软件MEDICI模拟分析了N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管的热载流 子特性及其对器件性能所造成的损伤,并与相应常规平面器件进行了比较,同时用器件内部 物理量的分布对造成两种结构器件特性不同的原因进行了解释.结果表明槽栅器件对热载流 子效应有明显的抑制作用,但槽栅器件对热载流子损伤的反应较平面器件敏感. 关键词： 槽栅MOSFET 热载流子效应 界面态 特性退化     

具有poly-Si_(1-x)Ge_x栅的应变SiGe p型金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压漂移模型研究

针对具有poly-Si1-x Ge x栅的应变Si Ge p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET),研究了其垂直电势与电场分布,建立了考虑栅耗尽的poly-Si1-x Ge x栅情况下该器件的等效栅氧化层厚度模型,并利用该模型分析了poly-Si1-x Ge x栅及应变Si Ge层中Ge组分对等效氧化层厚度的影响.研究了应变Si Ge PMOSFET热载流子产生的机理及其对器件性能的影响,以及引起应变Si Ge PMOSFET阈值电压漂移的机理,并建立了该器件阈值电压漂移模型,揭示了器件阈值电压漂移随电应力施加时间、栅极电压、polySi1-x Ge x栅及应变Si Ge层中Ge组分的变化关系.并在此基础上进行了实验验证,在电应力施加10000 s时,阈值电压漂移0.032 V,与模拟结果基本一致,为应变Si Ge PMOSFET及相关电路的设计与制造提供了重要的理论与实践基础.     

具有poly-Si$lt;sub$gt;1-$lt;i$gt;x$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;Ge$lt;sub$gt;$lt;i$gt;x$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;栅的应变SiGep型金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压漂移模型研究

针对具有poly-Si_1-xGe_x栅的应变SiGe p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET), 研究了其垂直电势与电场分布, 建立了考虑栅耗尽的poly-Si_1-xGe_x栅情况下该器件的等效栅氧化层厚度模型, 并利用该模型分析了poly-Si_1-xGe_x栅及应变SiGe层中Ge组分对等效氧化层厚度的影响. 研究了应变SiGe PMOSFET热载流子产生的机理及其对器件性能的影响, 以及引起应变SiGe PMOSFET阈值电压漂移的机理, 并建立了该器件阈值电压漂移模型, 揭示了器件阈值电压漂移随电应力施加时间、栅极电压、poly-Si_1-xGe_x栅及应变SiGe层中Ge组分的变化关系. 并在此基础上进行了实验验证, 在电应力施加10000 s时, 阈值电压漂移0.032 V, 与模拟结果基本一致, 为应变SiGe PMOSFET及相关电路的设计与制造提供了重要的理论与实践基础. 关键词： 应变SiGep型金属氧化物半导体场效应晶体管 1-xGe_x栅')" href="#">poly-Si_1-xGe_x栅 热载流子 阈值电压     

新型槽栅nMOSFET凹槽拐角效应的模拟研究

应用二维器件仿真程序PISCES Ⅱ，模拟计算了新型槽栅结构器件中凹槽拐角效应的影响与作用，讨论了槽栅结构MOSFET的沟道电场特征及其对热载流子效应、阈值电压特性等的影响.槽栅结构的凹槽拐角效应对抑制短沟道效应和抗热载流子效应是十分有利的，并且拐角结构在45°左右时拐角效应最大.调节拐角与其他结构参数，器件的热载流子效应、阈值电压特性、亚阈值特性、输出特性等都会有较大的变化. 关键词： 槽栅MOSFET 拐角效应 阈值电压 热载流子退化     

单轴应变Si NMOSFET热载流子栅电流模型

热载流子效应产生的栅电流是影响器件功耗及可靠性的重要因素之一,本文基于热载流子形成的物理过程,建立了单轴应变硅NMOSFET热载流子栅电流模型,并对热载流子栅电流与应力强度、沟道掺杂浓度、栅源电压、漏源电压等的关系,以及TDDB(经时击穿)寿命与栅源电压的关系进行了分析研究.结果表明,与体硅器件相比,单轴应变硅MOS器件不仅具有较小的热载流子栅电流,而且可靠性也获得提高.同时模型仿真结果与单轴应变硅NMOSFET的实验结果符合较好,验证了该模型的可行性.     

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/fγ噪声特性.基于Si/SiO2界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sfγ表征高、中、低三种栅应力下金属氧化物半导体场效应管抗热载流子损伤能力的方法.根据热载流子对噪声影响的物理机制设计了实验并验证这个模型.实验结果与模型符合良好.     

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/f^γ噪声特性.基于Si/SiO₂界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sf ^{关键词： 金属氧化物半导体场效应管 热载流子 fγ噪声')" href="#">1/fγ噪声}     

NBT导致的深亚微米PMOS器件退化与物理机理

研究了深亚微米PMOS器件在负偏压温度(negative bias temperature, NBT) 应力前后的电流电压特性随应力时间的退化，重点分析了NBT应力对PMOS器件阈值电压漂移的影响，通过实验证明了在栅氧化层和衬底界面附近的电化学反应和栅氧化层内与氢相关的元素的扩散，是PMOS器件中NBT效应产生的主要原因.指出NBT导致的PMOS器件退化依赖于反应机理和扩散机理两种机理的平衡. 关键词： 深亚微米PMOS器件 负偏压温度不稳定性 界面态 氧化层固定正电荷     

超短沟道绝缘层上硅平面场效应晶体管中热载流子注入应力导致的退化对沟道长度的依赖性

随着场效应晶体管(MOSFET)器件尺寸的进一步缩小和器件新结构的引入, 学术界和工业界对器件中热载流子注入(hot carrier injections, HCI)所引起的可靠性问题日益关注. 本文研究了超短沟道长度(L=30–150 nm)绝缘层上硅(silicon on insulator, SOI)场效应晶体管在HCI应力下的电学性能退化机理. 研究结果表明, 在超短沟道情况下, HCI 应力导致的退化随着沟道长度变小而减轻. 通过研究不同栅长器件的恢复特性可以看出, 该现象是由于随着沟道长度的减小, HCI应力下偏压温度不稳定性效应所占比例变大而导致的. 此外, 本文关于SOI器件中HCI应力导致的退化和器件栅长关系的结果与最近报道的鳍式场效晶体管(FinFET)中的结果相反. 因此, 在超短沟道情况下, SOI平面MOSFET器件有可能具有比FinFET器件更好的HCI可靠性.     

HOT-CARRIER GENERATION MECHANISM AND HOT-CARRIER EFFECT IMMUNITY IN DEEP-SUB-MICRON GROOVED-GATE PMOSFETS

Based on the hydrodynamic energy transport model, immunity from the hot-carrier effect in deep-sub-micron grooved-gate p-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (PMOSFETs) is analysed. The results show that hot carriers generated in grooved-gate PMOSFETs are much smaller than those in planar ones, especially for the case of channel lengths lying in the deep-sub-micron and super deep-sub-micron regions. Then, the hot-carrier generation mechanism and the reason why grooved-gate MOS devices can suppress the hot-carrier effect are studied from the viewpoint of physical mechanisms occurring in devices. It is found that the highest hot-carrier generating rate is at a medium gate bias voltage in three stress areas, similar to conventional planar devices. In deep-sub-micron grooved-gate PMOSFETs, the hot-carrier injection gate current is still composed mainly of the hot-electron injection current, and the hole injection current becomes dominant only at an extremely high gate voltage. In order to investigate other influences of the hot-carrier effect on the device characteristics, the degradation of the device performance is studied for both grooved-gate and planar devices at different interface states. The results show that the drift of the device electrical performance induced by the interface states in grooved-gate PMOSFETs is far larger than that in planar devices.     

量子阱Si/SiGe/Sip型场效应管阈值电压和沟道空穴面密度模型

Si材料中较低的空穴迁移率限制了Si互补金属氧化物半导体器 件在高频领域的应用. 针对SiGe p型金属氧化物半导体场效应管(PMOSFET)结构, 通过求解纵向一维泊松方程,得到了器件的纵向电势分布, 并在此基础上建立了器件的阈值电压模型,讨论了Ge组分、缓冲层厚度、 Si帽层厚度和衬底掺杂对阈值电压的影响.由于SiGe沟道层较薄, 计算中考虑了该层价带势阱中的量子化效应. 当栅电压绝对值过大时, 由于能带弯曲和能级分裂造成SiGe沟道层中的空穴会越过势垒到达Si/SiO₂界面, 从而引起器件性能的退化. 建立了量子阱SiGe PMOSFET沟道层的空穴面密度模型, 提出了最大工作栅电压的概念, 对由栅电压引起的沟道饱和进行了计算和分析. 研究结果表明,器件的阈值电压和最大工作栅压与SiGe层Ge组分关系密切, Ge组分的适当提高可以使器件工作栅电压范围有效增大.     

65 nm互补金属氧化物半导体场效应和晶体管总剂量效应及损伤机制

对65 nm互补金属氧化物半导体工艺下不同尺寸的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET和PMOSFET)开展了不同偏置条件下电离总剂量辐照实验.结果表明:PMOSFET的电离辐射响应与器件结构和偏置条件均有很强的依赖性,而NMOSFET表现出较强的抗总剂量性能;在累积相同总剂量时,PMOSFET的辐照损伤远大于NMOSFET.结合理论分析和数值模拟给出了PMOSFET的辐射敏感位置及辐射损伤的物理机制.     

On the nature and energy distribution of defect states caused by hot electrons in Si

We consider the temperature dependence of hot-carrier induced degradation effects in MOS devices. Using a 2D device simulator program capable of handling temperatures in the range 40–300 K, it is shown that the degradation is caused by interface states near the drain. The states have an energy dependent density peaked strongly at the conduction band edge.     

基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理

陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素,研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升,器件尺寸不断缩小,对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（L_g=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT）,并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究,分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明,AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势,这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断,可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的,从而进一步抑制电流崩塌.     

Long-term stability of InP MIS devices

Room-temperature bias stress measurements were performed on n-type InP MIS capacitors. A wide range of interface passivation processes and gate dielectrics was investigated. A generally observed behaviour under positive bias stress is a slow trapping - fast detrapping consistent with a trap distribution in the interfacial layer above the conduction band edge of InP. Large variations both in the magnitude and in the time dependence of the flat-band voltage shift ΔV_FB are observed. We discuss these drift behaviours in terms of interface traps - rather than bulk dielectric traps - in relation with the physico-chemical properties of the interface. It is shown that devices based on InP treated by annealing under arsenic pressure and controlled oxidation exhibit a very good stability. For any passivation procedure, the drift is strongly diminished if the device is stressed with AC voltage compared to DC voltage.     

Impact of oxygen in electrical properties and hot-carrier stress-induced degradation of GaN high electron mobility transistors

The role of the oxygen in AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) before and after semi-on state stress was discussed. Comparing with the electrical characteristics of the devices in vacuum, air, and oxygen atmosphere, it is revealed that the oxygen has significant influence on the electric characteristics and the hot-carrier-stress-induced degradation of the device. Comparing with the situation in vacuum, the gate leakage increased an order of magnitude in oxygen and air atmosphere. Double gate structure was used to separate the barrier leakage and surface leakage of AlGaN/GaN HEMT it is found that surface leakage is the major influencing factor in gate leakage of SiN-passivated devices before and after semi-on state stress. During semi-on state stress in the oxygen atmosphere, the electric-field-driven oxidation process promoted the oxidation of the nitride layer, and the oxidation layer in the SiN/AlGaN interface leads to the decreasing of the surface leakage.     

Analytical analysis of surface potential for grooved-gate MOSFET

The improvement of the characteristics of grooved-gate MOSFETs compared to the planar devices is attributed to the corner effect of the surface potential along the channel. In this paper we propose an analytical model of the surface potential distribution based on the solution of two-dimensional Poisson equation in cylindrical coordinates utilizing the cylinder approximation and the structure parameters such as the concave corner $\theta _0 $. The relationship between the minimum surface potential and the structure parameters is theoretically analysed. Results confirm that the bigger the concave corner, the more obvious the corner effect. The corner effect increases the threshold voltage of the grooved-gate MOSFETs, so the better is the short channel effect (SCE) immunity.