關(guān)于MOSFET的雙峰效應(yīng)量化評估研究

摘 要：介紹一種關(guān)于雙峰效應(yīng)(Double－Hump)的評估方法。通過對MOSFET的Id～Vg曲線的分析，雙峰效應(yīng)的程度可以用數(shù)字化評估。采取這種量化表征，細(xì)致地研究了雙峰效應(yīng)與摻雜濃度的關(guān)系。建立了MOS的Vt和Punch-through的粒子注入有效濃度和雙峰效應(yīng)的相互關(guān)系模型。它們之間的相互關(guān)系與現(xiàn)存的理論一致。
關(guān)鍵詞：雙峰效應(yīng)；摻雜濃度；MOSFET；數(shù)字化評估

    金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，MOSFET)是由一個(gè)金氧半(MOS)二機(jī)體和兩個(gè)與其緊密鄰接的P－n接面(p－n junction)所組成。自從在1960年首次證明后，MOSFET快速的發(fā)展，并且成為微處理器與半導(dǎo)體記憶體(memory)等先進(jìn)集成電路中最重要的元件。隨著超大型集成電路(VLSI)的快速發(fā)展，淺溝槽隔離(STI)技術(shù)在MOSFET制成中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)MOSFET的有效通道長度(L)和寬度(W)的尺寸越來越小時(shí)，一種MOS器件的失效模式：雙峰效應(yīng)(double－h(huán)ump)也越來越受到人們的重視。

1 雙峰效應(yīng)
    圖1是典型的雙峰效應(yīng)示意圖。在圖中虛線方框中，電流Id在閥極電壓Vg很小的時(shí)候出現(xiàn)了一個(gè)峰值。在整個(gè)Id－Vg曲線中出現(xiàn)兩個(gè)峰值，稱之為雙峰效應(yīng)。它的表現(xiàn)是在次臨界區(qū)(sub－threshold)，MOS還沒有開啟時(shí)(Vg<Vt)，晶體管出現(xiàn)了明顯的漏電(I－leakage)。這種漏電的提前出現(xiàn)，會(huì)直接導(dǎo)致晶體管的失效和產(chǎn)品的低良品率。

    圖1中，NMOS的W和L分別為10μm和0.18μm；Vsource＝0；Vdrain＝0.1 V；Vsub＝0，－0.45 V，－0.9 V，－1.35 V，－1.8 V；Vg從0升到1.8 V。近幾年，人們對這種失效現(xiàn)象做了大量的研究。人們普遍接受，晶體管的側(cè)壁寄生晶體管的預(yù)先開啟是漏電的根本原因。理論上講，由于粒子注入的有效摻雜濃度在晶體管的中心區(qū)域和側(cè)壁位置的不同，導(dǎo)致了側(cè)壁寄生晶體管的預(yù)先開啟。在MOS的基板加有反向電壓時(shí)，雙峰現(xiàn)象特別明顯。圖2中TrenchrecesS和Corner out－doping這兩種現(xiàn)象可以被用來解釋為什么晶體管的側(cè)壁位置粒子注入的摻雜濃度會(huì)不同于晶體管中心位置(通道正下方)。由于Trenchrecess和Corner ou－doping這兩種現(xiàn)象是不可避免的，所以人們嘗試了很多種方法去優(yōu)化摻雜的有效濃度分布，以期降低和消除雙峰效應(yīng)。

    本文將介紹一種雙峰效應(yīng)的簡單評估方法，使雙峰效應(yīng)的程度得以量化。并且通過對量化數(shù)字的評估，可以定性和定量地了解和確定最優(yōu)化的摻雜濃度條件。

2 實(shí)驗(yàn)條件
    本文分別對N型MOS的Vt和Punch-through的粒子注入摻雜濃度進(jìn)行了正交試驗(yàn)。其中，Vt注入的濃度分別為：4.55×1012cm－2；6.55×1012cm-2和8.55×1012cm-12。，注入能量為25 kev，雜質(zhì)成分為硼(Boron)；Punch-through注入的濃度分別為：4.0×1012cm-2；7.13×1012cm-2和1.0×1013cm-2，注入能量為170 kev，雜質(zhì)成分為銦(Indium)；通過對不同注入條件的MOS器件的Jd-Vg曲線的測量和分析，以期能得到摻雜濃度分布和雙峰效應(yīng)的關(guān)系。

3 雙峰效應(yīng)的評估方法
    圖3(a)是N型MOS器件的Id-Vg測量曲線。MOS器件的W和L分別為10 μm和0.18μm，測量條件為：Vsource＝O；Vdrain＝0.1V；Vsub＝-1.8 V；Vg從0升到1.8 V；圖中實(shí)線表示Id的測量值，可以看到很明顯的雙峰現(xiàn)象。由于Vg很小的區(qū)間，測試電流值很小，而且不準(zhǔn)確，所以取Vg在O.5～1.OV這個(gè)區(qū)間作為雙峰效應(yīng)的評估區(qū)間。圖3(b)中的虛線為理想的Id-Vg曲線?？梢愿鶕?jù)MOS在(Vg比較高)線性區(qū)和飽和區(qū)的測量值，采用多項(xiàng)式近似曲線擬合法(Polynomi-al Regression Fitting)反向推導(dǎo)得出。圖中實(shí)線測量值和虛線擬合值的陰影部分表明了MoS器件的漏電程度，用陰影面積來作為雙峰效應(yīng)的量化評估值。

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4 試驗(yàn)分析
    通過對各種實(shí)驗(yàn)條件的Id-Vg曲線的測量和雙峰效應(yīng)的評估，以粒子注入的濃度變化作為變量，雙峰效應(yīng)的量化值作為結(jié)果，建立了兩者變化關(guān)系的模型。圖4和圖5分別是模型的精確度評估圖和注入濃度對雙峰效應(yīng)的變化模型圖。

    從圖4可以看出模型的精確度(Rsquare)為O.97。這表明，粒子注入濃度和雙峰效應(yīng)具有非常強(qiáng)的相關(guān)性。圖5顯示，雙峰效應(yīng)對Vt的注入濃度非常敏感。隨著濃度的上升，雙峰效應(yīng)越來越明顯。這個(gè)現(xiàn)象和現(xiàn)有的理論相吻合。由于Vt的注入能量為25 kev，有效摻雜濃度的峰值靠近MOS通道的表面。并且硼的吸出效應(yīng)(out-doping)明顯，隨著粒子注入濃度的升高，通道正下方的有效摻雜濃度上升，但側(cè)壁位置的有效濃度變化不大，致使這兩個(gè)位置的濃度差異增加。同時(shí)，硼的有效濃度的增加，會(huì)導(dǎo)致通道正下方的閾值臨界電壓Vt的上升。這個(gè)變化會(huì)使得MOS通道下方開啟時(shí)間延遲，從而側(cè)壁寄生晶體管的預(yù)先開啟時(shí)間變長，進(jìn)一步導(dǎo)致漏電量的增加。同理，采用的雙峰效應(yīng)的量化評估值就會(huì)增加，雙峰效應(yīng)明顯。與Vt注入相比，Punch－through注入的濃度變化對雙峰效應(yīng)的影響不明顯。這是因?yàn)殂熢氐奈鲂?yīng)不明顯，所以銦的有效濃度的變化對通道正下方和側(cè)壁位置的有效摻雜濃度的差異貢獻(xiàn)不大，從而雙峰效應(yīng)對銦的濃度變化相對不敏感。
    本文的模型可以用于定性和定量的分析，但是對于MOSFET來說，V的粒子注入條件也影響晶體管整體的電學(xué)特性。所以，在確定最優(yōu)化的摻雜濃度條件時(shí)，要綜合考慮。

5 結(jié) 語
    MOSFET的中心區(qū)域和側(cè)壁位置的有效摻雜粒子濃度的均勻分布是解決雙峰效應(yīng)的根本條件。不論這兩個(gè)位置的有效摻雜濃度差異的形成原因，理論上都可以找到一個(gè)比較優(yōu)化的工藝條件，使得有效摻雜濃度分布均勻，從而減少或消除雙峰效應(yīng)的影響。通過對雙峰效應(yīng)的量化評估，建立摻雜濃度和雙峰效應(yīng)相互關(guān)系的模型，從定性和定量的角度進(jìn)一步了解和確定優(yōu)化條件。