计算纳米CMOS器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法与流程

本发明属于cmos元器件应力产生界面态密度的技术，具体涉及一种计算纳米cmos器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，集成电路技术节点逐渐减小到纳米级，半导体器件的可靠性问题严重制约着器件的寿命。影响cmos器件的应力条件主要包括：负栅压温度不稳定性(negativebiastemperatureinstability，nbti)、热载流子注入效应(hotcarrierinjection,hci)和栅氧化层经时击穿(time-dependencedielectricbreakdown，tddb)等。cmos器件中施加这些应力时，在si/sio2界面和氧化层中产生界面态或者氧化层缺陷，这些缺陷随着应力时间的增加不断地积累，引起器件的阈值电压、迁移率，跨导等参数发生变化，导致漏极电流减小和器件的退化。随着cmos器件缩小到纳米级，这种退化对器件性能的影响更加严重，能够对应力产生的缺陷进行定量的描述尤为重要。

在过去的几十年里，人们已经进行了不懈的努力，研究出了大量的技术来表征hci产生的界面态密度。在cmos器件中，应用最广泛的是电荷泵(chargepumping，cp)测量技术。然而，随着器件尺寸的减小，氧化层厚度不断缩小，cp技术变得越来越具有挑战性。因为传统的cp方法在测量小尺寸器件电流过程中，栅极漏电流(ileakage)非常大，甚至覆盖了电荷泵电流(icp)，导致数据采集和分析困难，传统的cp方法完全不可行。

近十几年，人们提出了一些新的测量技术，包括cp技术的改进方法。steves.chung在传统cp方法的基础上给出了一个ifcp(incrementalfrequencychargepumping)方法，该方法通过测量两个不同的频率下电荷泵电流之差，在较大的栅极漏电流中提取出真实的电荷泵电流，从而计算出界面态密度。ryanj.t.提出了一个fmcp(frequency-modulatedchargepumping)方法，克服了小尺寸器件中电荷泵测量的漏电流问题，在具有高漏电流的小器件中，有效地测量了界面态密度。

以上这两种方法都需要测量不同频率的电荷泵电流，并将其相减去掉漏电流(ileakage)，从而提取出真实的icp。但是这种方法在实施过程中，漏电流随测量频率不同发生变化，最终影响了测量结果的准确度。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种计算纳米cmos器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法，本发明优化cp测量技术，并利用此技术通过测量cmos器件在初始状态和应力状态下的电荷泵电流，能够计算出应力产生的界面缺陷密度，本发明在固定的频率下测量得到电荷泵电流，在不同应力条件下提取真实的icp电流，不需要考虑漏电流随测量频率的变化，测量结果准确度高。

技术方案：给一个cmos器件进行传统的cp实验，源极、漏极和衬底同时接地，栅极接一个电压脉冲发生器。当栅极接正脉冲时，器件处在强反型，电子从源极和漏极不断流向沟道，其中一部分会被界面态所俘获；当栅极脉冲变为负脉冲时，器件变成积累状态，沟道内的电子流回源极和漏极，而已经被界面态俘获的电子没有足够的时间发射回导带，此时衬底的空穴流向沟道，其中一部分与界面态俘获的电子复合，界面态俘获空穴。在栅电压从负脉冲再次变为正脉冲时，沟道中的空穴流向衬底，而界面态俘获的空穴来不及发射回价带并与从源漏极流入的电子复合，界面态重新俘获电子。

从上述整个周期来看，衬底有净的直流空穴电流被抽入界面态中。这个直流空穴电流被称为电荷泵电流icp。

本发明的一种计算纳米cmos器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法，依次包括以下步骤：

(1)在一个cmos器件中，将其源极、漏极和衬底同时接地，栅极接幅度和频率恒定的电压脉冲来进行定幅扫描，测量衬底电流isub随基底电压vbase的变化曲线；

(2)对cmos器件加相应退化条件，在纳米小尺寸器件中施加最严重退化条件下的相应应力后，si/sio2界面产生界面态，此处最严重退化条件是指vds＝vgs(即vs＝0v时，vd和vg的电压)；

(3)将步骤(2)中经退化后的器件再次施加电荷泵实验，器件的源极、漏极和衬底同时接地，栅极加幅度和频率恒定的电压脉冲进行定幅扫描，测量衬底电流isub随基底电压vbase的变化曲线；

(4)计算器件施加上述应力后和初始状态下测量衬底电流isub和isub之差，得到电荷泵电流的差值△icp与基底电压vbase的变化曲线，找出△icp的峰值；

(5)计算得到上述应力产生的界面态密度变化量△nit。

上述过程中，通过在器件衬底接电流表来测量衬底电流isub。

进一步的，所述步骤(1)中在cmos器件的衬底设置电流表来测量衬底的电流isub，衬底电流isub为电荷泵电流icp和栅极漏电流ileakage之和，即：isub＝icp+ileakage；

其中，icp＝qafnit，q为电荷量，a为器件面积即是指栅长l乘以栅宽w，f为cp实验的脉冲频率，在实验过程中q、a和f为固定值；nit为界面态密度。

进一步的，所述步骤(3)中在cmos器件的衬底设置电流表来测量衬底电流isub，电流isub为电荷泵电流icp和栅极漏电流ileakage之和，即：isub＝icp+ileakage；

其中，icp＝qafnit，q为电荷量，a为器件面积即是指栅长l乘以栅宽w，f为cp实验的脉冲频率，nit为变化后的界面态密度。

进一步的，所述步骤(4)中，△icp＝qaf△nit；

hci应力产生的界面态密度变化量则为：△nit＝△icp/qaf，△icp＝|icp-icp|。

进一步的，所述步骤(1)和(3)中使用电压脉冲发生器进行是定幅扫描时均使用同一频率f。

进一步的，所述步骤(2)中使用的退化条件为hci、nbti和tddb中任意一种。

有益效果：本发明在传统cp方法的基础上测量纳米小尺寸器件的初始状态和应力状态下的衬底电流，从中提取出真实的电荷泵电流icp，计算出应力产生的界面缺陷密度。此技术适用于漏电流很大的纳米小尺寸cmos器件，测量过程保持频率固定，测量结果准确度高。本发明能够使得针对纳米cmos器件应力致缺陷表征方法的研究得到进一步发展，有利于促进纳米小尺寸cmos器件可靠性研究的发展。

简而言之，本发明测量精度高；能够计算纳米器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法；并且测量方法简单，易操作。

附图说明

图1是本发明的的流程图；

图2是实施例中电荷泵技术的基本实验装置示意图；

图3是实施例中固定脉冲幅度扫描的脉冲波形示意图；

图4是实施例中栅极漏电流ileakage与电荷泵电流icp的对比关系；

图5是实施例中器件初始状态下衬底电流isub随基准电压vbase的变化曲线；

图6是实施例中cmos器件中的热载流子注入(hci)效应示意图；

图7是实施例中器件在施加hci应力后电荷泵电流icp随基准电压vbase的变化曲线；

图8是hci应力引起的电荷泵电流的变化量δicp随vbase的变化曲线。

其中，图4(a)为厚栅器件时的栅极漏电流ileakage与电荷泵电流icp的对比关系；图4(b)为薄栅器件时栅极漏电流ileakage与电荷泵电流icp的对比关系。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种计算纳米cmos器件中应力致界面态密度变化量的电荷泵方法，依次包括以下步骤：

(1)在一个cmos器件中，将其源极、漏极和衬底同时接地，栅极接幅度和频率恒定的电压脉冲来进行定幅扫描，测量衬底电流isub随基底电压vbase的变化曲线；所述步骤(1)中在cmos器件的衬底设置电流表来测量衬底电流isub，电流isub为电荷泵电流icp和栅极漏电流ileakage之和，即：isub＝icp+ileakage；

其中，icp＝qafnit，q为电荷量，a为器件面积即是指栅长l乘以栅宽w，f为cp实验的脉冲频率，在实验过程中q、a和f为固定值；nit为界面态密度；

(2)对cmos器件加相应退化条件，在纳米小尺寸器件中施加最严重退化条件(vds＝vgs)下的应力后，si/sio2界面产生界面态；该退化条件为hci、nbti和tddb中任意一种，例如hci；

(3)将步骤(2)中经退化后的器件再次施加传统电荷泵实验，器件的源极、漏极和衬底同时接地，栅极加幅度和频率恒定的电压脉冲进行定幅扫描，测量衬底电流isub随基底电压vbase的变化曲线；所述步骤(3)中在cmos器件的衬底设置电流表来测量衬底电流isub，电流isub为电荷泵电流icp和栅极漏电流ileakage之和，即：isub＝icp+ileakage；

(4)计算器件施加上述应力后和初始状态下测量得到的衬底电流isub和isub之差，得到电荷泵电流的差值△icp与基底电压vbase的变化曲线，找出△icp的峰值；

(5)计算得到上述应力产生的界面态密度变化量△nit。

其中，△icp＝qaf△nit；那么hci应力产生的界面态密度变化量则为：△nit＝△icp/qaf。

并且，步骤(1)和(3)中使用电压脉冲发生器进行是定幅扫描时均使用同一频率f。

实施例1：

本实施例中，所用cmos器件参数为l(沟道长度)为45nm，w(沟道宽度)＝10μm，tox(氧化层厚度)＝2.6nm，na(沟道掺杂)＝1e20/cm³。按图1流程图所示，本实施例的计算纳米cmos器件中应力致界面态密度变化量的具体电荷泵方法如下：

1、在一个cmos器件中，测量衬底电流isub(icp+ileakage)随基底电压vbase的变化曲线。图2给出了本实施的电荷泵测试技术的基本实验装置，对于一个cmos器件，源极、漏极和衬底接地，同时衬底接一个电流表，用来测量栅极到衬底的电流isub，栅极接一个电压脉冲发生器。栅极加电压脉冲进行定幅扫描，保持脉冲的幅度(1v)和频率(1mhz)恒定，上升和下降时间为10ns，扫描过程如图3所示，脉冲基准电压基准电压(vbase)从-1v增大到0v，每变化10mv测量一次衬底电流isub。

在厚栅器件中，一般认为isub＝icp。随着器件尺寸和氧化层厚度的缩小，栅极漏电流越来越大。图4给出了电荷泵实验中栅极漏电流的影响，对于图4(a)中的厚栅器件，栅极漏电流远低于icp，因此可以忽略不计。然而对于图4(b)中，氧化层较薄的器件，栅极漏电流较大，甚至已经覆盖了icp，不能忽略。图5给出了一个2.6nm栅极厚度cmos器件测量得到的isub随基准电压vbase的变化关系，isub与厚栅器件中测量的结果不同，没有出现峰值，说明isub受栅极漏电流的影响，不能直接视为icp。

2、在cmos器件上施加热载流子注入(hci)应力，产生界面态缺陷。在器件上施加最严重的hci退化条件vd＝1.1v、vg＝1.1v、vs＝0v，应力时间为1000s，如图6所示。在45nm的小尺寸器件中施加hci应力后，在靠近栅极的区域内发生电子-电子散射，si/sio2界面出现界面态，改变了器件的阈值电压、迁移率，跨导等参数，使得漏极电流减小，引起器件的退化。

3、在hci退化后的cmos器件中，测量衬底电流isubˊ(icpˊ+ileakage)随基底电压vbase的变化曲线。给hci退化后的器件施加图2所示的电荷泵实验，器件源极、漏极和衬底接地，同时衬底接一个电流表，用来测量isubˊ，栅极接一个电压脉冲发生器。栅极加电压脉冲进行定幅扫描，保持脉冲的幅度(1v)和频率(1mhz)恒定，上升和下降时间为10ns，扫描过程如图3所示，vbase从-1v增大到0v，每变化10mv测量一次衬底电流isubˊ。图7给出了hci退化后测量得到isubˊ随基准电压vbase的变化关系，isubˊ随vbase绝对值的增大而增大，没有出现峰值，说明isubˊ受栅极漏电流的影响，不能直接视为电荷泵电流。

4、计算hci应力前后电荷泵电流的变化。根据公式isub＝icp+ileakage，计算器件施加hci应力后和初始状态下测量衬底电流isubˊ和isub之差，得到电荷泵电流的差值(δicp)与基底电压vbase的变化曲线，如图8所示，δicp随vbase的变化出现了峰值，当vbase为-0.7v时，δicp最大为1.73μa。

5、计算hci应力产生的界面态密度。取q＝1.6e-19c，a＝l*w＝0.45μm²，f＝1mhz，δicp＝1.73na，根据公式△nit＝△icp/qaf，计算得到hci应力产生的界面态密度变化δnit为2.4e12cm^-2。