一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件nbti退化的方法
一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件nbti退化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体器件领域，更具体地，设及一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制 pMOS器件NBTI (Negative Bias Temperature Inst油ility)退化的方法。
【背景技术】
[0002] 从集成电路自身发展规律来说，高性能和高可靠性始终是其发展的两个制高点。 集成电路的发展一方面朝着更大规模的集成度发展，使得器件和电路的性能得到提高，单 位电路的生产成本下降，该是集成电路技术发展的原动力；另一方面可靠性问题始终伴随 着集成电路技术的发展和应用，并且随着集成电路特征尺寸的进一步减小，可靠性问题变 得越来越突出，其中最主要的因素就包括NBTI效应。
[0003]NBTI报道源于1967年，对特征尺寸较大，栅氧化层较厚的半导体器件，NBTI对其 性能影响并不大；然而随着器件尺寸的不断减小、进入了微纳米时代，加在栅极氧化层上的 电场越来越高，工作温度也相应提高，在CMOS工艺中pMOS器件引起的NBTI退化重新成为 器件可靠性研究的热点，引起了广泛关注。
[0004] 典型NBTI效应是指pMOS器件栅极Vg接较大的负电压，源极S和漏极D接 地，器件栅氧化层内的电场是均匀分布的，致使NBTI退化引起的栅氧化层界面电荷 数Nit也是均匀分布，如图1所示。因此器件的阔值电压退化可W用一个简单的公式 来计算：
其中；Nit是NBTI退化产生的界面电荷；q是电荷电 量；1"是氧化层Si〇2厚度；e。,、e。分别是Si〇2和真空的介电常数。界面电荷Nit的产生一般可用漂移扩散模型（Reaction-difTusionModel)来描述，可W表示为：
其中；E。,是栅 氧化层电场强度；P是器件沟道表面的空穴浓度；t是退化时间；为栅氧化层的电势差；A是NBTI退化因子，通常取2. 2X10+4s4/6; 0为电场加速因子，通常取0. 65cm/MV。
[0005] 由W上公式可W看出，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟 道渗杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道 渗杂浓度的变化又会引起器件阔值电压的变化，从而又会引起NBTI退化的不同，使得NBTI 退化随沟道渗杂浓度变化的问题变得更加复杂，严重阻碍了人们对NBTI退化的认识。
[0006] NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重的可靠性问题。尽管它可 W通过合理的电路设计来部分加W消除，但是额外增加了设计工程师的负担；它也可W通 过提高栅氧化层的质量加W抑制，但是应用效果有限。需要增加更多的防治手段。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制 器件NBTI退化的方法，旨在解决现有技术中由于NBTI效应导致深亚微米pMOS器件严重不 可靠的问题。
[0008] 本发明提供了一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，包括下 述步骤：
[0009] (1)根据功函数差￥。^^得器件的平带电压￥^;并通过选择不同功函数的金属栅 材料，获得不同平带电压随着渗杂浓度Nd的变化关系；
[0010] 其中所述功函数差
，所述 平带电压随渗杂浓度的关系
；Vm为金属 的功函数，X为半导体材料的电子亲和势，Eg为半导体的能带宽度；q为电荷电量；k为波尔 兹曼常数；T为器件温度；Nd为沟道渗杂浓度；ni为本证载流子浓度；Q"为氧化层栅内的固 有电荷；eM为氧化层Si〇2的介电常数；e。为真空的介电常数；TM为氧化层Si〇2的厚度；
[0011] 似根据所述平带电压Vw获得不同平带电压下器件阔值电压随沟道渗杂浓度Nd 的变化关系；
[001引其中，阔值电压V&随渗杂浓度的变化关系为
ed为娃的介电常数；
[0013] (3)当所述器件阔值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的 渗杂浓度Nd;
[0014] (4)获得不同平带电压、不同渗杂浓度且相同阔值电压时器件NBTI退化程度；
[001引 妨判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的 退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤（1)。
[0016] 更进一步地，步骤（4)中器件NBTI退化程度AVt为：
[0017]
[0018] 其中，A是NBTI退化因子，0为电场加速因子，P是器件沟道表面的空穴浓度；t 是退化时间。
[0019] 更进一步地，所述NBTI退化因子A为2. 2X10+4s4/6;所述电场加速因子0为 0. 65cm/MV;空穴浓度P为5Xl〇i7cm-3;退化时间t为1000s。
[0020] 本发明通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化；采用本发明提供的方法获 得的两种器件的NBTI退化分别为76. 7mV和19. 6mV(退化时间t= 1000s)，沟道渗杂浓度 小的器件NBTI退化是渗杂浓度大器件的25. 6 %，抑制效果显著。
【附图说明】
[0021] 图1是pMOS器件结构示意图；其中Nit是NBTI产生的界面电荷，Nd是器件沟道渗 杂浓度；
[0022] 图2是本发明提供的通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法实现流 程图；
[0023] 图3(a)是n型衬底M0S结构的能带图，图3化）是n型衬底M0S结构的电荷分布 图；
[0024] 图4是P+多晶娃栅（功函数Vm为5. 25eV)时，器件相关电势随着渗杂浓度的变化 曲线示意图；
[00巧]图5是不同栅极功函数时器件阔值电压的变化示意图；
[0026] 图6是退化时间t= 1000s时，器件NBTI阔值退化量和栅氧化层电场的变化示意 图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0028] 本发明实施例中，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟道渗 杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道渗杂 浓度的变化又会引起器件阔值电压的变化，使得NBTI退化随沟道渗杂浓度变化的问题变 得更加复杂。本发明实施例中分别利用理论计算和数值模拟的方法对该一问题进行了综合 讨论，并总结出一种利用改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法。可W用于指导微 纳CMOS集成电路和器件的设计。
[0029] 本发明提供的一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，具体包 括下述步骤：
[0030] (1)根据传统的阔值电压公式
获得器件阔值电压随沟道渗杂浓度的关系。
[0031] 其中，k表示波尔兹曼常数，q表示电荷电量，叫是本证载流子浓度，ed、e"、e。 分别表示娃、二氧化娃、真空的介电常数，该些常数都是固定不变的。T表示器件温度，常温 下T= 300K。T"表示栅氧厚度，受到多种技术要求，一般也是固定的。
[0032]Vw表示平带电压，表示沟道渗杂浓度，该两个值的不同，可W计算出不同的阔值 电压。
[0033](2)根据公式
确定器件的平带电压的变化。
[0034] 其中Q"为氧化层栅内的固有电荷，出于氧化层栅质量考虑，选择固有电荷Q"较 小，忽略不计。则平带电压主要由功函数差VmJ央定。
[00巧]对于M0S结构，Vm,=Vm-V,。其中金属的功函数Vm对于一定的金属来说是一定 不变的常数，取值范围从3. 66eV(儀）到5. 25eV(p+多晶娃）。而半导体的功函数VJ1J 由两部分组成，一部分是半导体材料的电子亲和势X，对于一定的半导体材料来说X 基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能X为4. 17eV左右；另一部分则是在平带 条件下导带能量私和费米能量Ep之间的差，它是半导体渗杂的函数。由此可W得到：
其中Eg为半导体的能带宽度，约为1. 12eV。可见，不同的渗杂 浓度Nd变化，会引起半导体功函数V,的变化，从而引起平带电压Vw的变化，使问题变得更 加复杂。
[0036] 先选择不同功函数的金属栅材料，初步计算出不同平带电压随着渗杂浓度Nd的变 化。
[0037] 做根据W上计算结果，代入（1)中的阔值电压计算公式，就可计算出不同平带电 压下，阔值电压随渗杂浓度的变化规律。
[003引（4)根据阔值电压的实际需求，一般取工作电压的1/4-1/5,就可确定不同平带电 压时器件的渗杂浓度Nd。
[00測妨根据公式
[0040]
[0041] 预测不同平带电压和渗杂浓度、相同阔值电压时NBTI退化减小的程度。
[0042] 其中；A是NBTI退化因子，通常取2. 2X10+4s4/6;e为电场加速因子，通常取 0. 65cm/MV;p是器件沟道表面的空穴浓度，在工作电压情况下较高，一般取5Xl〇i7cnT3左 右；t是退化时间，可W取1000s。其它常数同前所述。
[0043] (6)如果阔值电压退化程度不满足实际要求，需要返回到步骤（2)，重新选择平带 电压进行计算，直到满足要求为止。
[0044] 在本发明实施例中，由于NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重 的可靠性问题。尽管它可W通过合理的电路设计来部分加W消除，但是额外增加了设计工 程师的负担；它也可W通过提高栅氧化层的质量加W抑制，但是应用效果有限。需要增加更 多的防治手段。本发明给出了NBTI随着沟道渗杂浓度Nd变化的规律，从而总结出了一种 改变沟道渗杂浓度Nd抑制NBTI效应的方法。
[0045] 为了更进一步的说明本发明实施例提供的通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件 NBTI退化的方法，下面给出详细的理论分析：
[004引对于pMOS器件，衬底渗杂为施主型的、n型衬底，如图1所示。
[0047] 1、M0S结构的平带电压Vw的推导
[0048] 对于n型衬底，费米势接近于导带Ec，如图3所示，其大小可表示为：
其中，kT/q也称为热电压常数，常温下（300K)为0.0529V;Nd是沟道渗 杂浓度；n;是本证载流子浓度，可W用1X1 0w/cnT3来估算。
[004引对于M0S结构，金属（左边）和半导体（右边）存在一定的功函数差；Vms=Vm-Vs。 其中金属的功函数Vm对于一定的金属来说是一定不变的常数，取值范围从3. 66eV(儀）到 5. 25eV(p+多晶娃）。而半导体的功函数Vjlj由两部分组成，一部分是半导体材料的电子 亲和势X，对于一定的半导体材料来说X基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能X 为4. 17eV左右；另一部分则是在平带条件下Ee和Ep之间的能量差，它是半导体渗杂的函 数。由图3可W得到：
。其中Eg为半导体的能带宽度，约 为 1. 12eV。
[0050] 在实际的n型M0S结构中，通常金属和半导体的功函数差Vm,〉0,使得半导体一侧 带正电荷，能带向上弯曲。能带的弯曲量除W电子电荷q为半导体中从表面到体内平衡处 的电势差，称为表面势即
：其中，Q。,为氧化层内的固有电荷。
[005。 如果对M0S结构外加一个适当的栅极电压，使它能够正好抵消Vm郝Q。,的作用， 就可W使栅下的半导体恢复电中性，使能带恢复为平带状态。该样的栅电压成为平带电压
:由上式可W看出，不同的渗杂浓度Nd变化，会引起半导 体功函数的变化，从而引起平带电压的变化，使问题变得更加复杂。因此一般是通过变化金 属功函数Vm和栅氧化层电荷Q来调整平带电压。无论是改变Vm或者Q"都会使平带电压 平移。
[0052] 2、器件阔值电压Vth的推导
[0053] 当实际M0S结构上的外加电压Vg超过平带电压VW后，栅下半导体又会带正电荷， 能带向上弯曲，半导体中又会形成表面势。所W，可W认为栅极电压超过平带电压的部分 (Vg-Vw)是对沟道区M0S电容进行充放电的有效栅极电压，该个电压可W分为两个部分，一 部分降落在栅氧化层上V。,，另外一部分降落在半导体上的电压，即表面势V,ut。故有；Vg-Vw =V?+Vsut(6);根据器件阔值电压的定义，当Vg=Vth时，栅下半导体表面的空穴浓度等于体 内的电子浓度，该时的表面势Kur=-2卿'凸。
[0054] 而氧化层电场可W表示为：
(7);其中是半导体娃的介电常数。
[0055] 由公式做可W得出器件阔值电压的公式
将公式巧代入后得至I
由上式可W 看出，器件的阔值电压强烈地依赖于渗杂浓度吨、栅氧厚度T。济平带电压V邮该是器件阔值电压调 整设计需要考虑的立个方面。
[0056] 3、器件NBTI退化的规律
[0057] 出于速度的考虑，一般器件在工作（NBTI退化）时的栅压较大，IVjMiVthI。根 据图3,该时器件栅下半导体表面出现了很高的空穴浓度P，器件表面费米能级接近或 E" 进入了禁带底6乂，而且变化越来越小。因此可^近似认为：^='^+^2^树（10); 其中Eg为半导体的能带宽度，约为1.12eV。由公式做可W得到此时的电势关 系；Vg=Vw+V?+Vsai);上式减去公式巧），并将公式（10)代入，整理后得到：
将上式代入公 式（2)和（1)，即可得到NBTI阔值退化公式：
(13);由上式可W看出，器件NBTI退化随着沟道渗杂浓度Nd的提高而增大，但是Nd的增加 又会影响阔值电压和平带电压。因此不能简单套用该公式进行设计，而是要综合考虑渗杂 浓度Nd、栅氧厚度T"和平带电压VW来进行设计。
[0058] 为了更进一步的验证上述推导出的公式的正确性，我们使用数值模拟 (Simulation)和公式计算两种方法，分别仿真计算了一组常用的pMOS娃器件，模型参数如 表1所示。数值模拟使用Genius-化en开源软件，
[0059] 表1计算使用的器件结构参数
[0060]
[0061] (1)阔值电压的计算和调整
[0062] 首先考虑常用的P+多晶娃栅，其功函数Vm为5. 25eV。由于栅氧化层固有电荷Q 为0,则器件的平带电压Vw即为栅材料和半导体娃材料的功函数差。不同的沟道渗杂浓度， 半导体娃的功函数是不同的，因此VpB随渗杂浓度变化在对数坐标的情况下是线性的，和半 导体理论相符，如图4所示。图4示出了P+多晶娃栅（功函数Vm为5. 25eV)时，器件相关 电势随着渗杂浓度的变化曲线，其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，纵坐标分别表示阔值Vth、 栅氧化层电势差V。,、平带电压Vw和费米势巧Fn。
[0063] 从图4还可W看出，栅氧化层电势差虽烈地依赖于沟道浓度Nd的变化，尤其是 N汲高的区域，V。,的变化更大。正是由于此，使得器件阔值电压在较高的N拥候变化较大。
[0064] 如果要设计该器件为增强型、阔值电压为-0.5V左右，则器件的沟道渗杂为 2Xl〇i7cm-3左右；当器件渗杂在IX…iVcm-3W下，器件都是耗尽型的。
[0065] 为了调整该器件的阔值电压，可W考虑改变栅极功函数、也就是改变平带电压。如 果改变栅极材料为多晶鹤，则其功函数为4. 55V，将使得平带电压下移，从而使阔值电压下 移（5. 25-4. 55V= )0. 7V，如图5所示。图5示出了不同栅极功函数时器件阔值电压的变化 曲线，其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，纵坐标表示阔值电压Vth。
[0066] 为了验证阔值电压公式巧）的正确性，我们采用数值模拟的方法，计算了不同渗 杂浓度器件的阔值电压，也一同表示在了图5中。可W看出数值模拟和公式计算符合的很 好。由图5还可W看出，调整后的阔值电压为-0. 5V时，沟道渗杂浓度为2Xl〇i5/cnT3左右； 在图示渗杂范围内，都是增强型器件。
[0067] (2)NBTI退化的抑制
[0068] 图6示出了退化时间t= 1000s时，器件NBTI阔值退化量和栅氧化层电场的变化， 其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，左边纵坐标表示阔值电压的退化量AVth，右边纵坐标表 示栅氧化层电场E"。
[0069] 按照W上器件阔值电压设计和调整，两种器件的阔值电压都是-0.5V，但是使 用了不同的沟道渗杂浓度。按照工作电压MVth，设定器件的工作电压（NBTI应力电压） 为-2. 2V;该时沟道空穴浓度P较大，假定在5Xl〇i7cnT3左右；时间t= 1000s，则可W依 照公式（13)计算器件的NBTI退化如图6所示。
[0070]同样使用了数值模拟软件，采用了联合计算的方法，计算了NBTI的退化也表示在 图6中，二者符合的很好。
[0071] 由图6可W看出，NBTI退化随着渗杂浓度的提高而增大，尤其是在渗杂浓度较高 时（l〇"/cnr3)，该种变化更加剧烈。栅氧化层电场随渗杂浓度的变化也表示在了图6中，显 然NBTI退化的该种规律主要是由于栅氧化层电场的变化所引起的。我们设计的两种器件 的NBTI退化分别为76. 7mV和19. 6mV(退化时间t= 1000s)，沟道渗杂浓度小的器件NBTI 退化是渗杂浓度大器件的25. 6%，抑制效果显著。
[0072] 依据传统的阔值电压计算公式和NBTI退化时应力条件，本发明推导出了一个 NBTI阔值电压退化随沟道渗杂浓度变化的公式（13)，并经过了数值模拟的仿真验证。器件 NBTI退化随着沟道渗杂浓度的变化而变化，但是沟道渗杂浓度的变化也会同时引起阔值电 压的变化，因此在设计器件时不能仅仅关注沟道渗杂浓度的变化，要综合考虑渗杂浓度Nd、 栅氧厚度T"和平带电压VW来进行设计。
[0073] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，其特征在于，包括下述步 骤： (1)根据功函数差Vms获得器件的平带电压Vfb;并通过选择不同功函数的金属栅材料， 获得不同平带电压随着掺杂浓度Nd的变化关系； 其中所述功函数差所述平带电压，所述平带 电压随掺杂浓度的关系Vm为金属的功函数，X为半导体材料的电子亲和势，EgS半导体的能带宽度；q为电荷电量； k为波尔兹曼常数；T为器件温度；Nd为沟道掺杂浓度；n i为本证载流子浓度；Q ^为氧化层 栅内的固有电荷；ε 氧化层SiO2的介电常数；ε ^为真空的介电常数；T 氧化层SiO2 的厚度； ⑵根据所述平带电压Vfb获得不同平带电压下器件阈值电压随沟道掺杂浓度N d的变 化关系； 其中，阈值电压Vth随掺杂浓度的变化关系为ε si为硅的介电常数； (3) 当所述器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂 浓度Nd; (4) 获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度； (5) 判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化； 若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤（1)。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4)中器件NBTI退化程度Λ V ,为：其中，A是NBTI退化因子，β为电场加速因子，ρ是器件沟道表面的空穴浓度；t是退 化时间。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述NBTI退化因子A为2. 2 X 10 ?6;所 述电场加速因子β为〇. 65cm/MV ;空穴浓度p为5X IO1VcnT3;退化时间t为1000s。
【专利摘要】本发明公开了一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制pMOS器件NBTI退化的方法，包括(1)根据功函数差Vms获得器件的平带电压VFB；并通过选择不同功函数的金属栅材料，获得不同平带电压随着掺杂浓度Nd的变化关系；(2)根据平带电压VFB获得不同平带电压下器件阈值电压Vth随沟道掺杂浓度Nd的变化关系；(3)当器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂浓度Nd；(4)获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度；(5)判断器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤(1)。本发明通过改变沟道掺杂浓度对器件NBTI退化进行了抑制，抑制效果显著。
【IPC分类】H01L21/8238, H01L21/225
【公开号】CN104900592
【申请号】CN201510223301
【发明人】曹建民, 孙瑞泽
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体器件领域，更具体地，设及一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制 pMOS器件NBTI (Negative Bias Temperature Inst油ility)退化的方法。
【背景技术】
[0002] 从集成电路自身发展规律来说，高性能和高可靠性始终是其发展的两个制高点。 集成电路的发展一方面朝着更大规模的集成度发展，使得器件和电路的性能得到提高，单 位电路的生产成本下降，该是集成电路技术发展的原动力；另一方面可靠性问题始终伴随 着集成电路技术的发展和应用，并且随着集成电路特征尺寸的进一步减小，可靠性问题变 得越来越突出，其中最主要的因素就包括NBTI效应。
[0003]NBTI报道源于1967年，对特征尺寸较大，栅氧化层较厚的半导体器件，NBTI对其 性能影响并不大；然而随着器件尺寸的不断减小、进入了微纳米时代，加在栅极氧化层上的 电场越来越高，工作温度也相应提高，在CMOS工艺中pMOS器件引起的NBTI退化重新成为 器件可靠性研究的热点，引起了广泛关注。
[0004] 典型NBTI效应是指pMOS器件栅极Vg接较大的负电压，源极S和漏极D接 地，器件栅氧化层内的电场是均匀分布的，致使NBTI退化引起的栅氧化层界面电荷 数Nit也是均匀分布，如图1所示。因此器件的阔值电压退化可W用一个简单的公式 来计算：
其中；Nit是NBTI退化产生的界面电荷；q是电荷电 量；1"是氧化层Si〇2厚度；e。,、e。分别是Si〇2和真空的介电常数。界面电荷Nit的产生一般可用漂移扩散模型（Reaction-difTusionModel)来描述，可W表示为：
其中；E。,是栅 氧化层电场强度；P是器件沟道表面的空穴浓度；t是退化时间；为栅氧化层的电势差；A是NBTI退化因子，通常取2. 2X10+4s4/6; 0为电场加速因子，通常取0. 65cm/MV。
[0005] 由W上公式可W看出，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟 道渗杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道 渗杂浓度的变化又会引起器件阔值电压的变化，从而又会引起NBTI退化的不同，使得NBTI 退化随沟道渗杂浓度变化的问题变得更加复杂，严重阻碍了人们对NBTI退化的认识。
[0006] NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重的可靠性问题。尽管它可 W通过合理的电路设计来部分加W消除，但是额外增加了设计工程师的负担；它也可W通 过提高栅氧化层的质量加W抑制，但是应用效果有限。需要增加更多的防治手段。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制 器件NBTI退化的方法，旨在解决现有技术中由于NBTI效应导致深亚微米pMOS器件严重不 可靠的问题。
[0008] 本发明提供了一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，包括下 述步骤：
[0009] (1)根据功函数差￥。^^得器件的平带电压￥^;并通过选择不同功函数的金属栅 材料，获得不同平带电压随着渗杂浓度Nd的变化关系；
[0010] 其中所述功函数差
，所述 平带电压随渗杂浓度的关系
；Vm为金属 的功函数，X为半导体材料的电子亲和势，Eg为半导体的能带宽度；q为电荷电量；k为波尔 兹曼常数；T为器件温度；Nd为沟道渗杂浓度；ni为本证载流子浓度；Q"为氧化层栅内的固 有电荷；eM为氧化层Si〇2的介电常数；e。为真空的介电常数；TM为氧化层Si〇2的厚度；
[0011] 似根据所述平带电压Vw获得不同平带电压下器件阔值电压随沟道渗杂浓度Nd 的变化关系；
[001引其中，阔值电压V&随渗杂浓度的变化关系为
ed为娃的介电常数；
[0013] (3)当所述器件阔值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的 渗杂浓度Nd;
[0014] (4)获得不同平带电压、不同渗杂浓度且相同阔值电压时器件NBTI退化程度；
[001引 妨判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的 退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤（1)。
[0016] 更进一步地，步骤（4)中器件NBTI退化程度AVt为：
[0017]
[0018] 其中，A是NBTI退化因子，0为电场加速因子，P是器件沟道表面的空穴浓度；t 是退化时间。
[0019] 更进一步地，所述NBTI退化因子A为2. 2X10+4s4/6;所述电场加速因子0为 0. 65cm/MV;空穴浓度P为5Xl〇i7cm-3;退化时间t为1000s。
[0020] 本发明通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化；采用本发明提供的方法获 得的两种器件的NBTI退化分别为76. 7mV和19. 6mV(退化时间t= 1000s)，沟道渗杂浓度 小的器件NBTI退化是渗杂浓度大器件的25. 6 %，抑制效果显著。
【附图说明】
[0021] 图1是pMOS器件结构示意图；其中Nit是NBTI产生的界面电荷，Nd是器件沟道渗 杂浓度；
[0022] 图2是本发明提供的通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法实现流 程图；
[0023] 图3(a)是n型衬底M0S结构的能带图，图3化）是n型衬底M0S结构的电荷分布 图；
[0024] 图4是P+多晶娃栅（功函数Vm为5. 25eV)时，器件相关电势随着渗杂浓度的变化 曲线示意图；
[00巧]图5是不同栅极功函数时器件阔值电压的变化示意图；
[0026] 图6是退化时间t= 1000s时，器件NBTI阔值退化量和栅氧化层电场的变化示意 图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0028] 本发明实施例中，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟道渗 杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道渗杂 浓度的变化又会引起器件阔值电压的变化，使得NBTI退化随沟道渗杂浓度变化的问题变 得更加复杂。本发明实施例中分别利用理论计算和数值模拟的方法对该一问题进行了综合 讨论，并总结出一种利用改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法。可W用于指导微 纳CMOS集成电路和器件的设计。
[0029] 本发明提供的一种通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，具体包 括下述步骤：
[0030] (1)根据传统的阔值电压公式
获得器件阔值电压随沟道渗杂浓度的关系。
[0031] 其中，k表示波尔兹曼常数，q表示电荷电量，叫是本证载流子浓度，ed、e"、e。 分别表示娃、二氧化娃、真空的介电常数，该些常数都是固定不变的。T表示器件温度，常温 下T= 300K。T"表示栅氧厚度，受到多种技术要求，一般也是固定的。
[0032]Vw表示平带电压，表示沟道渗杂浓度，该两个值的不同，可W计算出不同的阔值 电压。
[0033](2)根据公式
确定器件的平带电压的变化。
[0034] 其中Q"为氧化层栅内的固有电荷，出于氧化层栅质量考虑，选择固有电荷Q"较 小，忽略不计。则平带电压主要由功函数差VmJ央定。
[00巧]对于M0S结构，Vm,=Vm-V,。其中金属的功函数Vm对于一定的金属来说是一定 不变的常数，取值范围从3. 66eV(儀）到5. 25eV(p+多晶娃）。而半导体的功函数VJ1J 由两部分组成，一部分是半导体材料的电子亲和势X，对于一定的半导体材料来说X 基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能X为4. 17eV左右；另一部分则是在平带 条件下导带能量私和费米能量Ep之间的差，它是半导体渗杂的函数。由此可W得到：
其中Eg为半导体的能带宽度，约为1. 12eV。可见，不同的渗杂 浓度Nd变化，会引起半导体功函数V,的变化，从而引起平带电压Vw的变化，使问题变得更 加复杂。
[0036] 先选择不同功函数的金属栅材料，初步计算出不同平带电压随着渗杂浓度Nd的变 化。
[0037] 做根据W上计算结果，代入（1)中的阔值电压计算公式，就可计算出不同平带电 压下，阔值电压随渗杂浓度的变化规律。
[003引（4)根据阔值电压的实际需求，一般取工作电压的1/4-1/5,就可确定不同平带电 压时器件的渗杂浓度Nd。
[00測妨根据公式
[0040]
[0041] 预测不同平带电压和渗杂浓度、相同阔值电压时NBTI退化减小的程度。
[0042] 其中；A是NBTI退化因子，通常取2. 2X10+4s4/6;e为电场加速因子，通常取 0. 65cm/MV;p是器件沟道表面的空穴浓度，在工作电压情况下较高，一般取5Xl〇i7cnT3左 右；t是退化时间，可W取1000s。其它常数同前所述。
[0043] (6)如果阔值电压退化程度不满足实际要求，需要返回到步骤（2)，重新选择平带 电压进行计算，直到满足要求为止。
[0044] 在本发明实施例中，由于NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重 的可靠性问题。尽管它可W通过合理的电路设计来部分加W消除，但是额外增加了设计工 程师的负担；它也可W通过提高栅氧化层的质量加W抑制，但是应用效果有限。需要增加更 多的防治手段。本发明给出了NBTI随着沟道渗杂浓度Nd变化的规律，从而总结出了一种 改变沟道渗杂浓度Nd抑制NBTI效应的方法。
[0045] 为了更进一步的说明本发明实施例提供的通过改变沟道渗杂浓度来抑制器件 NBTI退化的方法，下面给出详细的理论分析：
[004引对于pMOS器件，衬底渗杂为施主型的、n型衬底，如图1所示。
[0047] 1、M0S结构的平带电压Vw的推导
[0048] 对于n型衬底，费米势接近于导带Ec，如图3所示，其大小可表示为：
其中，kT/q也称为热电压常数，常温下（300K)为0.0529V;Nd是沟道渗 杂浓度；n;是本证载流子浓度，可W用1X1 0w/cnT3来估算。
[004引对于M0S结构，金属（左边）和半导体（右边）存在一定的功函数差；Vms=Vm-Vs。 其中金属的功函数Vm对于一定的金属来说是一定不变的常数，取值范围从3. 66eV(儀）到 5. 25eV(p+多晶娃）。而半导体的功函数Vjlj由两部分组成，一部分是半导体材料的电子 亲和势X，对于一定的半导体材料来说X基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能X 为4. 17eV左右；另一部分则是在平带条件下Ee和Ep之间的能量差，它是半导体渗杂的函 数。由图3可W得到：
。其中Eg为半导体的能带宽度，约 为 1. 12eV。
[0050] 在实际的n型M0S结构中，通常金属和半导体的功函数差Vm,〉0,使得半导体一侧 带正电荷，能带向上弯曲。能带的弯曲量除W电子电荷q为半导体中从表面到体内平衡处 的电势差，称为表面势即
：其中，Q。,为氧化层内的固有电荷。
[005。 如果对M0S结构外加一个适当的栅极电压，使它能够正好抵消Vm郝Q。,的作用， 就可W使栅下的半导体恢复电中性，使能带恢复为平带状态。该样的栅电压成为平带电压
:由上式可W看出，不同的渗杂浓度Nd变化，会引起半导 体功函数的变化，从而引起平带电压的变化，使问题变得更加复杂。因此一般是通过变化金 属功函数Vm和栅氧化层电荷Q来调整平带电压。无论是改变Vm或者Q"都会使平带电压 平移。
[0052] 2、器件阔值电压Vth的推导
[0053] 当实际M0S结构上的外加电压Vg超过平带电压VW后，栅下半导体又会带正电荷， 能带向上弯曲，半导体中又会形成表面势。所W，可W认为栅极电压超过平带电压的部分 (Vg-Vw)是对沟道区M0S电容进行充放电的有效栅极电压，该个电压可W分为两个部分，一 部分降落在栅氧化层上V。,，另外一部分降落在半导体上的电压，即表面势V,ut。故有；Vg-Vw =V?+Vsut(6);根据器件阔值电压的定义，当Vg=Vth时，栅下半导体表面的空穴浓度等于体 内的电子浓度，该时的表面势Kur=-2卿'凸。
[0054] 而氧化层电场可W表示为：
(7);其中是半导体娃的介电常数。
[0055] 由公式做可W得出器件阔值电压的公式
将公式巧代入后得至I
由上式可W 看出，器件的阔值电压强烈地依赖于渗杂浓度吨、栅氧厚度T。济平带电压V邮该是器件阔值电压调 整设计需要考虑的立个方面。
[0056] 3、器件NBTI退化的规律
[0057] 出于速度的考虑，一般器件在工作（NBTI退化）时的栅压较大，IVjMiVthI。根 据图3,该时器件栅下半导体表面出现了很高的空穴浓度P，器件表面费米能级接近或 E" 进入了禁带底6乂，而且变化越来越小。因此可^近似认为：^='^+^2^树（10); 其中Eg为半导体的能带宽度，约为1.12eV。由公式做可W得到此时的电势关 系；Vg=Vw+V?+Vsai);上式减去公式巧），并将公式（10)代入，整理后得到：
将上式代入公 式（2)和（1)，即可得到NBTI阔值退化公式：
(13);由上式可W看出，器件NBTI退化随着沟道渗杂浓度Nd的提高而增大，但是Nd的增加 又会影响阔值电压和平带电压。因此不能简单套用该公式进行设计，而是要综合考虑渗杂 浓度Nd、栅氧厚度T"和平带电压VW来进行设计。
[0058] 为了更进一步的验证上述推导出的公式的正确性，我们使用数值模拟 (Simulation)和公式计算两种方法，分别仿真计算了一组常用的pMOS娃器件，模型参数如 表1所示。数值模拟使用Genius-化en开源软件，
[0059] 表1计算使用的器件结构参数
[0060]
[0061] (1)阔值电压的计算和调整
[0062] 首先考虑常用的P+多晶娃栅，其功函数Vm为5. 25eV。由于栅氧化层固有电荷Q 为0,则器件的平带电压Vw即为栅材料和半导体娃材料的功函数差。不同的沟道渗杂浓度， 半导体娃的功函数是不同的，因此VpB随渗杂浓度变化在对数坐标的情况下是线性的，和半 导体理论相符，如图4所示。图4示出了P+多晶娃栅（功函数Vm为5. 25eV)时，器件相关 电势随着渗杂浓度的变化曲线，其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，纵坐标分别表示阔值Vth、 栅氧化层电势差V。,、平带电压Vw和费米势巧Fn。
[0063] 从图4还可W看出，栅氧化层电势差虽烈地依赖于沟道浓度Nd的变化，尤其是 N汲高的区域，V。,的变化更大。正是由于此，使得器件阔值电压在较高的N拥候变化较大。
[0064] 如果要设计该器件为增强型、阔值电压为-0.5V左右，则器件的沟道渗杂为 2Xl〇i7cm-3左右；当器件渗杂在IX…iVcm-3W下，器件都是耗尽型的。
[0065] 为了调整该器件的阔值电压，可W考虑改变栅极功函数、也就是改变平带电压。如 果改变栅极材料为多晶鹤，则其功函数为4. 55V，将使得平带电压下移，从而使阔值电压下 移（5. 25-4. 55V= )0. 7V，如图5所示。图5示出了不同栅极功函数时器件阔值电压的变化 曲线，其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，纵坐标表示阔值电压Vth。
[0066] 为了验证阔值电压公式巧）的正确性，我们采用数值模拟的方法，计算了不同渗 杂浓度器件的阔值电压，也一同表示在了图5中。可W看出数值模拟和公式计算符合的很 好。由图5还可W看出，调整后的阔值电压为-0. 5V时，沟道渗杂浓度为2Xl〇i5/cnT3左右； 在图示渗杂范围内，都是增强型器件。
[0067] (2)NBTI退化的抑制
[0068] 图6示出了退化时间t= 1000s时，器件NBTI阔值退化量和栅氧化层电场的变化， 其中横坐标表示沟道渗杂浓度Nd，左边纵坐标表示阔值电压的退化量AVth，右边纵坐标表 示栅氧化层电场E"。
[0069] 按照W上器件阔值电压设计和调整，两种器件的阔值电压都是-0.5V，但是使 用了不同的沟道渗杂浓度。按照工作电压MVth，设定器件的工作电压（NBTI应力电压） 为-2. 2V;该时沟道空穴浓度P较大，假定在5Xl〇i7cnT3左右；时间t= 1000s，则可W依 照公式（13)计算器件的NBTI退化如图6所示。
[0070]同样使用了数值模拟软件，采用了联合计算的方法，计算了NBTI的退化也表示在 图6中，二者符合的很好。
[0071] 由图6可W看出，NBTI退化随着渗杂浓度的提高而增大，尤其是在渗杂浓度较高 时（l〇"/cnr3)，该种变化更加剧烈。栅氧化层电场随渗杂浓度的变化也表示在了图6中，显 然NBTI退化的该种规律主要是由于栅氧化层电场的变化所引起的。我们设计的两种器件 的NBTI退化分别为76. 7mV和19. 6mV(退化时间t= 1000s)，沟道渗杂浓度小的器件NBTI 退化是渗杂浓度大器件的25. 6%，抑制效果显著。
[0072] 依据传统的阔值电压计算公式和NBTI退化时应力条件，本发明推导出了一个 NBTI阔值电压退化随沟道渗杂浓度变化的公式（13)，并经过了数值模拟的仿真验证。器件 NBTI退化随着沟道渗杂浓度的变化而变化，但是沟道渗杂浓度的变化也会同时引起阔值电 压的变化，因此在设计器件时不能仅仅关注沟道渗杂浓度的变化，要综合考虑渗杂浓度Nd、 栅氧厚度T"和平带电压VW来进行设计。
[0073] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，其特征在于，包括下述步 骤： (1)根据功函数差Vms获得器件的平带电压Vfb;并通过选择不同功函数的金属栅材料， 获得不同平带电压随着掺杂浓度Nd的变化关系； 其中所述功函数差所述平带电压，所述平带 电压随掺杂浓度的关系Vm为金属的功函数，X为半导体材料的电子亲和势，EgS半导体的能带宽度；q为电荷电量； k为波尔兹曼常数；T为器件温度；Nd为沟道掺杂浓度；n i为本证载流子浓度；Q ^为氧化层 栅内的固有电荷；ε 氧化层SiO2的介电常数；ε ^为真空的介电常数；T 氧化层SiO2 的厚度； ⑵根据所述平带电压Vfb获得不同平带电压下器件阈值电压随沟道掺杂浓度N d的变 化关系； 其中，阈值电压Vth随掺杂浓度的变化关系为ε si为硅的介电常数； (3) 当所述器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂 浓度Nd; (4) 获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度； (5) 判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化； 若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤（1)。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4)中器件NBTI退化程度Λ V ,为：其中，A是NBTI退化因子，β为电场加速因子，ρ是器件沟道表面的空穴浓度；t是退 化时间。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述NBTI退化因子A为2. 2 X 10 ?6;所 述电场加速因子β为〇. 65cm/MV ;空穴浓度p为5X IO1VcnT3;退化时间t为1000s。
【专利摘要】本发明公开了一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制pMOS器件NBTI退化的方法，包括(1)根据功函数差Vms获得器件的平带电压VFB；并通过选择不同功函数的金属栅材料，获得不同平带电压随着掺杂浓度Nd的变化关系；(2)根据平带电压VFB获得不同平带电压下器件阈值电压Vth随沟道掺杂浓度Nd的变化关系；(3)当器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂浓度Nd；(4)获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度；(5)判断器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤(1)。本发明通过改变沟道掺杂浓度对器件NBTI退化进行了抑制，抑制效果显著。
【IPC分类】H01L21/8238, H01L21/225
【公开号】CN104900592
【申请号】CN201510223301
【发明人】曹建民, 孙瑞泽
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月5日
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