应变Si NMOSFET总剂量效应

廖晨光，郝敏如

(西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710071)

随着微电子集成电路技术的快速发展，以互补型金属氧化物为核心的半导体技术已进入纳米尺度，由于正常工作的集成电路受到纳米器件二级物理效应产生的影响，各种新技术以及新材料被国内外各研究院所迫切开发[1-4]，目的是提高器件以及集成电路的特性。应变硅技术由于带隙可调、迁移率高等优点，并且其技术与传统的 Si工艺技术相兼容的优势，因此被广泛应用于集成电路中，因而成为目前提高应变集成技术的重要途径之一[5-9]。单轴应变相对于双轴应变更适用CMOS集成电路的制造，因此关于单轴应变Si MOSFET的性能研究备受关注[10-15]。随着应变集成器件及电路技术在空间、军事等领域的广泛应用，在辐照条件下应变集成器件及电路的应用将会越来越多，因此辐照特性及加固技术对应变集成器件的研究显得尤为重要。其中阈值电压、栅隧穿电流以及热载流栅电流作为在总剂量辐照条件下器件退化的重要参数指标，基于此，本文应用TCAD模拟仿真分析了总剂量、器件几何参数、物理参数等对阈值电压、栅隧穿电流以及热载流子栅电流的影响。因此，本文仿真结果为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导。

1 器件结构及仿真分析

采用器件结构如图1所示，其中等效厚度为1 nm，结深为25 nm，LDD掺杂浓度5e19 cm-3，源/漏极平均掺杂浓度5e20 cm-3，衬底掺杂浓度5e18 cm-3，沟道长度50 nm，SiN应力膜引入沟道张应力。纳米NMOSFET器件栅氧化层厚度只有几个纳米，导致沟道反型层中的电子直接隧穿栅介质到达栅电极，形成栅隧穿电流，图2(a)给出了单轴应变Si NMOSFET器件直接隧穿形成栅电流的原理图。热载流子栅电流是由于越过氧化物势垒从而被栅电极收集形成的，图2(b)给出了热载流子栅电流形成的剖面图。

图1 器件结构

图2 隧穿及热载流子栅电流形成示意图

图3为不同源/漏结深及沟道长度下，单轴应变Si纳米NMOSFET器件阈值电压随辐照总剂量的变化曲线。由图3(a)可以看出，相同沟道长度下阈值电压随着源/漏极结深的增加而稍微减小，这可以解释为有效沟道掺杂浓度随着源/漏结深的增加而降低，则器件比较容易开启，导致阈值电压略微降低，并且可以得出源/漏结深的变化对阈值电压的漂移量影响不大。从图3(b)可以看出，阈值电压随着沟道长度的减小而减小，出现这种现象可以解释为沟道长度的缩小引起短沟道效应的增加，当沟道长度的下降使得源-衬底和漏-衬底耗尽区域出现严重交叠，引起这两个区域出现更多的电荷分享，导致栅极电压对沟道中的电荷控制能力减弱。因此在相同的辐照剂量下，阈值电压随着沟道长度的减小而增大，同时还可以看出阈值电压漂移量在总剂量辐照效应下随着沟道长度的变化不大。

图3 阈值电压与辐照剂量的变化关系

图4为辐照剂量、栅氧化层厚度以及栅介质与直接隧穿栅电流密度的仿真结果。从图4(a)中可以看出，当辐照剂量一定，栅隧穿电流随栅氧化层厚度减小而增大。栅氧化层厚度越薄，引起栅介质层的电场越大，从而导致沟道中反型的电子面密度、碰撞频率以及隧穿几率均增大。同时，由图4(a)还可以得到，栅电流随着辐照剂量增大而微小增大，这是由于栅氧化层相对很薄，氧化层捕获的空穴很少，辐照引起栅氧化层中产生的氧化层陷阱电荷就越少，最终导致沟道中反型层电子面密度小，故栅隧穿电流随着辐照剂量的增大变化很小。由图4(b)可看出，同种栅介质下，栅隧穿电流密度随着辐照剂量的增加而增大，此外，还可得知采用HfO2栅介质的器件栅电流小于SiO2和Al2O3栅介质，这主要是由于栅介电常数越大，栅介质层的物理厚度就越大，当沟道发生反型时需要的栅极电压就越大，即提高了栅极对沟道电荷的控制能力，因此辐照剂量相等时阈值电压漂移越小，导致沟道反型电子面密度越小，因此产生的栅电流就越小。随着微电子器件尺寸不断缩小，栅介质层仅有几个纳米的厚度，在薄栅器件以及总剂量辐照条件下，故采用高K栅介质材料可以抑制栅隧穿电流的增大。

图4 栅隧穿电流与辐照剂量变化关系

图5为不同辐照剂量下，热载流子栅电流随着沟道掺杂浓度以及栅电压的变化关系。由图5(a)可以看出，热载流子栅电流随着沟道掺杂浓度的增大而增大，在相同掺杂浓度下，热载流子栅电流随着辐照剂量的增大而增大。主要是由于：辐照剂量越大，氧化层中捕获的空穴越多，阈值电压漂移越大，导致沟道中表面电子面密度越大，因此热载流子栅电流就越大。由图5(b)可以看出，热载流栅电流随着栅电压的增大而增大，当栅电压越大，氧化层中的电场越大，氧化层中捕获的陷阱正电荷越多，引起阈值电压漂移越大，从而沟道中表面电子面密度越大，引起热载流子栅电流的增大。

图5 栅电流随沟道浓度及栅电压变化

图6为单轴应变Si纳米NMOSFET器件的应力分布图以及在不同辐照剂量下沟道中热载流子的分布图。由图6(b)可以看出，沟道中央处的载流子速度随着辐照剂量的增大而增大，主要是因为辐照剂量越大，氧化层中的陷阱正电荷越多，引起纵向电场增大，其与漏极电压引起的横向电场叠加导致沟道中的总电场增大，使得沟道中的一部分载流子获得更多能量使其成为“热电子”，这些热电子有能力越过氧化层最终被栅极收集形成热载流子栅电流。

图6 沟道中应力及载流子的分布图

3 结束语

通过计算机模拟仿真γ射线总剂量辐照下，不同结构参数以及物理参数等对阈值电压、隧穿栅电流以及热载流子栅电流的影响，结果表明：在总剂量辐照下，阈值电压随着源/漏结深的增加及沟道长度的减小而减小，隧穿栅电流随着栅氧化层厚度的增大及栅介电常数的减小而增大，热载流子栅电流随着沟道中掺杂浓度的减小及栅极电压的增大而增大。模拟仿真了器件沟道中应力和载流子的分布，随着总剂量的增大引起更多热电子的产生，因此热载流子栅电流增大。结合实际工艺，可以从器件的栅厚度、栅介质、沟道掺杂浓度以及外加电压等参数考虑，改进器件结构物理参数改善其在实际辐照条件下电学特性的退化。因此，仿真结果为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了参考。