廖晨光，郝敏如

(西安電子科技大學 微電子學院，陜西 西安 710071)

隨著微電子集成電路技術的快速發(fā)展，以互補型金屬氧化物為核心的半導體技術已進入納米尺度，由于正常工作的集成電路受到納米器件二級物理效應產(chǎn)生的影響，各種新技術以及新材料被國內(nèi)外各研究院所迫切開發(fā)[1-4]，目的是提高器件以及集成電路的特性。應變硅技術由于帶隙可調(diào)、遷移率高等優(yōu)點，并且其技術與傳統(tǒng)的 Si工藝技術相兼容的優(yōu)勢，因此被廣泛應用于集成電路中，因而成為目前提高應變集成技術的重要途徑之一[5-9]。單軸應變相對于雙軸應變更適用CMOS集成電路的制造，因此關于單軸應變Si MOSFET的性能研究備受關注[10-15]。隨著應變集成器件及電路技術在空間、軍事等領域的廣泛應用，在輻照條件下應變集成器件及電路的應用將會越來越多，因此輻照特性及加固技術對應變集成器件的研究顯得尤為重要。其中閾值電壓、柵隧穿電流以及熱載流柵電流作為在總劑量輻照條件下器件退化的重要參數(shù)指標，基于此，本文應用TCAD模擬仿真分析了總劑量、器件幾何參數(shù)、物理參數(shù)等對閾值電壓、柵隧穿電流以及熱載流子柵電流的影響。因此，本文仿真結果為研究納米級單軸應變Si NMOSFET應變集成器件可靠性及電路的應用提供了有價值的理論指導。

1 器件結構及仿真分析

采用器件結構如圖1所示，其中等效厚度為1 nm，結深為25 nm，LDD摻雜濃度5e19 cm-3，源/漏極平均摻雜濃度5e20 cm-3，襯底摻雜濃度5e18 cm-3，溝道長度50 nm，SiN應力膜引入溝道張應力。納米NMOSFET器件柵氧化層厚度只有幾個納米，導致溝道反型層中的電子直接隧穿柵介質(zhì)到達柵電極，形成柵隧穿電流，圖2(a)給出了單軸應變Si NMOSFET器件直接隧穿形成柵電流的原理圖。熱載流子柵電流是由于越過氧化物勢壘從而被柵電極收集形成的，圖2(b)給出了熱載流子柵電流形成的剖面圖。

圖1 器件結構

圖2 隧穿及熱載流子柵電流形成示意圖

圖3為不同源/漏結深及溝道長度下，單軸應變Si納米NMOSFET器件閾值電壓隨輻照總劑量的變化曲線。由圖3(a)可以看出，相同溝道長度下閾值電壓隨著源/漏極結深的增加而稍微減小，這可以解釋為有效溝道摻雜濃度隨著源/漏結深的增加而降低，則器件比較容易開啟，導致閾值電壓略微降低，并且可以得出源/漏結深的變化對閾值電壓的漂移量影響不大。從圖3(b)可以看出，閾值電壓隨著溝道長度的減小而減小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可以解釋為溝道長度的縮小引起短溝道效應的增加，當溝道長度的下降使得源-襯底和漏-襯底耗盡區(qū)域出現(xiàn)嚴重交疊，引起這兩個區(qū)域出現(xiàn)更多的電荷分享，導致柵極電壓對溝道中的電荷控制能力減弱。因此在相同的輻照劑量下，閾值電壓隨著溝道長度的減小而增大，同時還可以看出閾值電壓漂移量在總劑量輻照效應下隨著溝道長度的變化不大。

圖3 閾值電壓與輻照劑量的變化關系

圖4為輻照劑量、柵氧化層厚度以及柵介質(zhì)與直接隧穿柵電流密度的仿真結果。從圖4(a)中可以看出，當輻照劑量一定，柵隧穿電流隨柵氧化層厚度減小而增大。柵氧化層厚度越薄，引起柵介質(zhì)層的電場越大，從而導致溝道中反型的電子面密度、碰撞頻率以及隧穿幾率均增大。同時，由圖4(a)還可以得到，柵電流隨著輻照劑量增大而微小增大，這是由于柵氧化層相對很薄，氧化層捕獲的空穴很少，輻照引起柵氧化層中產(chǎn)生的氧化層陷阱電荷就越少，最終導致溝道中反型層電子面密度小，故柵隧穿電流隨著輻照劑量的增大變化很小。由圖4(b)可看出，同種柵介質(zhì)下，柵隧穿電流密度隨著輻照劑量的增加而增大，此外，還可得知采用HfO2柵介質(zhì)的器件柵電流小于SiO2和Al2O3柵介質(zhì)，這主要是由于柵介電常數(shù)越大，柵介質(zhì)層的物理厚度就越大，當溝道發(fā)生反型時需要的柵極電壓就越大，即提高了柵極對溝道電荷的控制能力，因此輻照劑量相等時閾值電壓漂移越小，導致溝道反型電子面密度越小，因此產(chǎn)生的柵電流就越小。隨著微電子器件尺寸不斷縮小，柵介質(zhì)層僅有幾個納米的厚度，在薄柵器件以及總劑量輻照條件下，故采用高K柵介質(zhì)材料可以抑制柵隧穿電流的增大。

圖4 柵隧穿電流與輻照劑量變化關系

圖5為不同輻照劑量下，熱載流子柵電流隨著溝道摻雜濃度以及柵電壓的變化關系。由圖5(a)可以看出，熱載流子柵電流隨著溝道摻雜濃度的增大而增大，在相同摻雜濃度下，熱載流子柵電流隨著輻照劑量的增大而增大。主要是由于：輻照劑量越大，氧化層中捕獲的空穴越多，閾值電壓漂移越大，導致溝道中表面電子面密度越大，因此熱載流子柵電流就越大。由圖5(b)可以看出，熱載流柵電流隨著柵電壓的增大而增大，當柵電壓越大，氧化層中的電場越大，氧化層中捕獲的陷阱正電荷越多，引起閾值電壓漂移越大，從而溝道中表面電子面密度越大，引起熱載流子柵電流的增大。

圖5 柵電流隨溝道濃度及柵電壓變化

圖6為單軸應變Si納米NMOSFET器件的應力分布圖以及在不同輻照劑量下溝道中熱載流子的分布圖。由圖6(b)可以看出，溝道中央處的載流子速度隨著輻照劑量的增大而增大，主要是因為輻照劑量越大，氧化層中的陷阱正電荷越多，引起縱向電場增大，其與漏極電壓引起的橫向電場疊加導致溝道中的總電場增大，使得溝道中的一部分載流子獲得更多能量使其成為“熱電子”，這些熱電子有能力越過氧化層最終被柵極收集形成熱載流子柵電流。

圖6 溝道中應力及載流子的分布圖

3 結束語

通過計算機模擬仿真γ射線總劑量輻照下，不同結構參數(shù)以及物理參數(shù)等對閾值電壓、隧穿柵電流以及熱載流子柵電流的影響，結果表明：在總劑量輻照下，閾值電壓隨著源/漏結深的增加及溝道長度的減小而減小，隧穿柵電流隨著柵氧化層厚度的增大及柵介電常數(shù)的減小而增大，熱載流子柵電流隨著溝道中摻雜濃度的減小及柵極電壓的增大而增大。模擬仿真了器件溝道中應力和載流子的分布，隨著總劑量的增大引起更多熱電子的產(chǎn)生，因此熱載流子柵電流增大。結合實際工藝，可以從器件的柵厚度、柵介質(zhì)、溝道摻雜濃度以及外加電壓等參數(shù)考慮，改進器件結構物理參數(shù)改善其在實際輻照條件下電學特性的退化。因此，仿真結果為研究納米級單軸應變Si NMOSFET應變集成器件可靠性及電路的應用提供了參考。