1、CMOS器件尺寸越來越小,柵介質厚度持續(xù)減小,負偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)成為制約器件可靠性及壽命的最主要因素之一。然而,NBTI機理一直處于爭論之中。其原因一方面源于對于NBTI現象的解釋各不一致,另一方面主要受限于NBTI表征方法的不足,不能得到NBTI退化的全部信息。因此,不能正確地建立NBTI機理。
　　本論文主要系統(tǒng)地對比和分析了納米CMOS器件表征方法,并發(fā)展了新的表征方法,并將這些表征方法應用于NBTI研究。在閾值

2、電壓(VTH)表征方面,論文詳細分析了直流(慢的)Id-Vg測量閾值電壓漂移(△VTH)存在恢復的原因,并針對Kerber等人的脈沖測量方法的不足,建立了快速脈沖Id-Vg測量(FPM),其測量時間tM達1μs,極大抑制了測量過程中的恢復效應。實驗發(fā)現測量時間tM越小,△VTH越大,其結果表明NBTI測量過程中發(fā)展快速測量的重要性。在界面陷阱(NIT)表征方面,論文闡述了傳統(tǒng)電荷泵(CCP)和直流電流電壓(DCIV)方法原理、測量設置,

3、還給出了快速DCIV測量。不同測量點數的CCP和DCIV方法測量得到的界面陷阱的產生(△NIT)是不一樣的,該實驗結果表明CCP和DCIV方法本身亦存在恢復效應。為了避免測量過程中的△NIT的恢復,我們發(fā)展了一種新穎的實時界面陷阱(OFIT)測量方法。
　　論文就OFIT測量原理、儀器設置和電路實現給出了細致的分析,并運用OFIT方法對應力引起的△NIT進行了表征。我們得到的主要結果有:(1)OFIT方法測量得到的△NIT比CCP

4、方法得到的大的多。當溫度小于100℃時,△NIT的時間冪指數n呈線性增加;當溫度大于100℃時,n趨于飽和值0.18。OFIT實驗結果表明△NIT服從色散的H2分子擴散的R-D模型,這與CCP方法得到的Arrhenius關系不同。(2)在測量誤差范圍內,實驗結果顯示時間冪指數n與電場強度、柵介質厚度無關。(3)論文將CCP、DCIV和OFIT測量方法進行了對比,結果顯示CCP方法由于存在嚴重恢復效應,相同NBTI應力條件下測得的△NIT

5、最小,DCIV方法測得的△NIT次之,OFIT方法測得的△NIT最大。溫度100℃時,三種方法得到的△NIT的時間冪指數n分別為0.31、0.28和0.18,n值越小表示恢復效應越小。(4)OFIT和慢的Id-Vg測量結果對比表明后者不僅存在氧化層電荷俘獲△NOX的恢復而且存在界面陷阱的產生△NIT的恢復。
　　論文還采用OFIT和FPM測量方法研究了等離子體氮化(PNO)和熱氮化柵介質(TNO)pMOSFETs的NBTI特性,得

6、到的實驗結果主要有:(1)TNO和PNO器件具有相同的△NIT的時間冪指數n,即當溫度小于100℃時,n隨溫度線性增加;當溫度大于100℃,n達到飽和值0.18。界面陷阱產生的機理與氮濃度在TNO和PNO器件的柵介質中的不同分布無關,激活能EA=0.17eV。(2)對于TNO器件,采用OFIT測量得到的界面陷阱的產生和用FPM測量得到的閾值電壓漂移的恢復均比PNO器件約大10％。(3)結合OFIT和FPM測量方法,可以區(qū)分界面陷阱產生和

7、氧化層電荷俘獲引起的閾值電壓漂移△VTHIT和△VTHOX。對于PNO器件,NBTI退化主要來自界面陷阱的產生;對于TNO器件而言,氧化層電荷俘獲對NBTI退化起主要作用。(4)我們也對比了TNO和PNO器件的快速瞬態(tài)閾值電壓漂移與應力電壓的關系,其結果顯示TNO器件由于較大△VTHOX和△VTHIT,其總的NBTI退化要比PNO器件大的多。對于TNO器件而言,當柵壓在2V或靠近工作電壓時,EOT=3.5nm,1000秒后△VTH仍有3