超薄栅氧化层n．MOSFET软击穿后的导电机制＊.PDF

维普资讯 第 54卷 第 8期 2005年8月 物 理 学 报 Vo1．54，No．8，August，2005 1000．3290／2005／54(08)／3884—05 ACTA PHYSICA SINICA ⑥2005Chin．Phys．Soc． 超薄栅氧化层 n．MOSFET软击穿后的导 电机制* 王彦刚 许铭真 谭长华 段小蓉 (北京大学微 电子学研究所 ，北京 100871) (2005年 1月7日收到 ；2005年3月 11日收到修改稿) 研究了恒压应力下超薄栅氧化层 n型金属．氧化物一半导体场效应 晶体管 (n—MOSFET)软击穿后 的导电机制 ．发 现在一定的栅 电压 V 范 围内，软击穿后 的栅 电流 ，符合 Fowler-Nordheim隧穿公式 ，但室温下隧穿势垒 的平均 值仅为0．936eV，远小于 Si／SiO2界面的势垒高度 3．15eV．研究表明，软击穿后 ，处于 Si／SiOz界面量子化能级上 的电 ． 子不隧穿到氧化层 的导带 ，而是 隧穿到氧化层内的缺陷带上 ． 与缺陷带能级和电子所处 的量子 能级相关 ；高温 下，激发态 电子对隧穿电流贡献 的增大导致 逐渐 降低 ． 关键词 ：软击穿 ，栅电流，类 Fowler．Nordheim隧穿 ，超薄栅氧化层 PACC：7750，7360H，7340Q 量子点接触导 电模型；之后 ，Miranda等 ¨。。利用扩展 1．引 言 的量子点接触导电模 型拟合 SBD后较大栅 电压范 围内的 ，． 曲线 ，但是该模 型还没有一个 明确 的 金属．氧 化物．半 导体 (MOS)场 效 应 晶体 管 物理解释 ． (MOSFET)的性能在很大程度上依赖于栅介质的可 SBD后，栅氧化层 的导 电特性一般是一种或两 靠性及其电流输运机制…，该领域一直是 MOS器件 种机制 占优势 ．尽管上述模型能够在一定 的 范 及其 Ic可靠性研究 的重要课题之一 ．几十年 围内解释栅氧化层的导电规律 ，但是 ，迄今为止仍然 来 ，研究者们提出了各种不 同的模型来解释和预测 缺少一个人们普遍接 受的 SBD后的栅氧化层 导 电 栅氧化层退化过程及击穿后 的导电规律 ．1988 模型 ． 年，Farmer等 发现在氧化层退化过程 中存在类 本文对超薄栅 n．MOSFET发生 SBD后的栅氧化 Fowler-Nordheim(FN)隧穿导电现象 ，并得到 电子的 层导 电机制进行 了研究 ．对栅漏 电流增量 △，分析 隧穿势垒在 1±0．1eV的范围内．近来 ，张贺秋等 发现，△，遵循 FN隧穿规律 ，但 电子 的隧穿势垒大 也报道 了超 薄栅 pMOS器件氧化层软击 穿 (soft 大低于 Si／SiO，界面的势垒高度 ．分析认为 ，SBD时 breakdown，SBD)后的类 FN导电特性 ，其势垒高度在 氧化层内高场应力诱生的氧相关施主缺陷密度增大 0．6—1．2ev之间．但是 ，文献 [4，5]都未研究引起类 并形成缺陷带 ，电子不再穿越 Si／SiO 的界面势垒到 FN隧穿势垒降低 的原因．在 1994年的国际电子器 达氧化层导带 ，而是首先隧穿到施主缺 陷带上 ，然后 件会议上 ，Lee等 提出了一个 Si／SiO 界面局部物 在缺陷带 内运动到达栅极 ，从而使得 SBD后 的 FN 理损坏区的栅介质 SBD导电模型 ，局部氧化层的损 隧穿势垒降低 ． 坏