用于快速估计场效应晶体管阵列中的依赖布图的阈值电压变化的方法

专利名称：用于快速估计场效应晶体管阵列中的依赖布图的阈值电压变化的方法
技术领域：
本发明涉及集成电路器件，并且更具体地涉及估计晶体管阵列 中的布图灵敏度。
背景技术：
很长时间以来已经知道诸如硅和锗之类的半导体材料表现出
压电效应(机械应力引入的电阻改变)。参见例如C.S. Smith, "Piezoresistance effect in germanium and silicon", Phys.Rev.， vol. 94, pp. 42-49 (1954),其通过援引并入此处。另外已经观察到晶体管阵列 中的应力变化可以产生载流子迁移率的变化，其继而导致阵列中的 晶体管的阈值电压的变化。该问题及其解决方案阐述在转让给本受 让人的标题为 "Analysis of Stress Impact on Transistor Performance" 美国专利申请SN 11/291,294中。
然而，进一步的研究已经示出，除了应力会影响电子和空穴迁 移率之外，布图也影响阈值电压，从而提出了起到作用的另外一些 因素。遇到的变化远不是樣i不足道的，通常有超过20mV的摆幅。 现有技术没有指出这种问题的任何可能原因，也没有提出任何解决 方案。因此，仍需要本发明人来发挪,引刼 解决方案，下面阐述所有这些内容，

发明内容
本发明的一个方面是一种用于估计集成电路布图中由于布图 引起的阈值电压的变化的自动化方法。该方法开始于选择供分析的 布图内的扩散区域的步骤。接着，该系统识别所选择的区域上的Si/STI边以及沟道区域和它们关联的栅极/Si边。接着，识别每个识 别出的沟道区域中的阈值电压变化，其进一步需要以下步骤计算 由于纵向上的影响引起的阈值电压变化；计算由于横向上的影响引 起的阈值电压变化；以及合并纵向变化和横向变化以提供整个变化。 最后，通过合并各个沟道的变化来确定总变化。


图la图示根据本发明构建的单个晶体管的一个实施例。 图lb图示根据本发明构建的晶体管阵列的一个实施例。 图lc是绘出了阈值电压和漏电流作为从沟道到STI界面(对
于隔离的晶体管)或者沟道到下一个晶体管的距离(对于成套的栅
极)的函数的绘图。
图1 d描绘在沟道纟参杂物注入和退火之后填隙原子的重组。 图2是给出用于计算晶体管阵列中的晶体管的阈值电压偏移
值的整个方法的流程图。
图3图示进行TED效应分析的扩散区域，其中相关边缘被识别。
图4描绘计算X方向上的阈值电压偏移的过程。 图5描绘计算Y方向上的阈值电压偏移的过程。
具体实施例方式
下面参考附图进行详细描述。被描述的优选实施例是为了说明 本发明，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求书来 限制。本领域技术人员将认识下面描述的各种等价变形。
通过首先考虑图la中示出的说明性的MOS晶体管10可以最 佳地理解本发明，图la示出了平面图(上部)和沿线A-A截取的截 面图(底部)。其中，扩散区12包括在扩散区中形成的源区16和 漏区18,在这些区域之间具有被栅极14所覆盖的间隙。在栅极下面 的区域是沟道20。隔离物22位于栅极的每一侧(在平面图中出)。应该理解，与这些部件和作为整体的MOS器件有关的材料和 制造技术在现有技术中是公知的，并且因此不在此处进行任何详细 描述。预期阵列将被形成在局部耗散绝缘硅(PDSOI MOSFET)衬 底中，但是本发明申请中的教导还可应用于块(bulk)配置中。注意， 附图描绘了块MOSFET器件。此外，现有4支术中众所周知MOSFET 沟道纟皮掺杂以调节决定该MOSFET何时导通和截止的阈值电压。在 典型的MOSFET器件中利用的沟道掺杂物包括诸如硼之类的物质。 图la中所描绘的实施例已经被这样修改， 一般应用中使用离子注入 (implantation)技术。所得的扩散区的晶体栅格中的B原子浓度由 浓度曲线表示，其描述了内部的高浓度域和外部的最小浓度的图样。 如通常已知的，掺杂浓度从靠近沟道表面(通常向外进入沟道)的 高浓度域23向选择的最小浓度级24逐渐降低。浓度等级线23和24 是沟道内的等掺杂浓度线，从最大浓度区域的规则光滑曲线开始下 降，并且下降到最小浓度曲线24的不规则形状。尽管没有示出，本 发明的技术人员应该明白，浓度从线23处的最大下降到线24处的 最小。下面讨论的晶体管阵列利用了许多如此处阐述地那样构建的 单个晶体管。为了下面讨论更有针对性和清楚，此处省略了相关的 细节。
图lb描述了 3个晶体管110、 112和114的阵列100。如前面 描述的，示出了该阵列的平面图和截面图二者，并且每个单个晶体 管被构建为与上面的描述一致。如通常看到的，晶体管阵列形成在 芯片上，在该芯片上形成了多个相对大的扩散区102。这些区具有通 过诸如离子注入之类的常规方法添加的合适的掺杂物，以分别产生 源区104和漏区106。最后，栅极材料108以条状进行覆盖。通过氧 化物绝缘体材料区域，诸如浅沟槽隔离(STI)区域122，对晶体管 进行隔离以防止任何交叉耦合。如名称所暗示的，任何合适的绝缘 体可以用在STI中，但是优选原硅酸四乙酯(TEOS)。应该注意， 晶体管布图的特性将导致某些单个晶体管被它们自己隔离，诸如晶 体管114,而其他晶体管组套成包括两个或多个晶体管的组，诸如晶体管110和112。
令人惊讶的是，已经发现即使消除了应力引入的阈值电压变 化，晶体管阵列中仍然剩余大量的变化。如图lb所示，典型阵列中 的测量揭示了从334mV到356mV、摆幅22mV的Vt变化。最初的 研究没有立即揭开该变化的原因，但是注意到变化主要出现在单个 隔离的晶体管(诸如晶体管114)与组成群组的晶体管(诸如晶体管 110和112)之间。
注意到晶体管110和112的沟道中的一个点与晶体管114中的 一个类似点的一个差异是从这样的点到两个周围STI壁的距离。进 一步的研究得到了图lc中的数据，其示出Vt和Id两者是从沟道到周 围STI壁的距离(以nm为单位)(对于隔离的MOSFET,诸如晶 体管114)和从沟道到下一个MOSFET的距离(对于成套元件，诸 如晶体管110和112)的函数。如所示出的，对于当前制造技术中看 到的100-200nm的距离，存在相当大的变化，但是该变化随着距离 的增长有规律的减小并且在大约500nm的距离处变得可以忽略。
通过返回图lb可以获得对在栅格级发生的情况的线索。该图 的底部包括对沟道掺杂浓度(110a、 112a和114a)的绘图。如上面 注意到的，诸如硼之类的纟参杂物被注入沟道128以调节阈值电压。 该操d故通常通过离子注入完成。尽管对晶体管110、 112和114的注 入是相同进行的，但是可以观察到图lb中的一个有趣情况。即，如 由分布(profile)形状示出的，掺杂浓度歪向较近的STI壁。因此， 在附图页面中，在分布110a中掺杂浓度斜向左边，而在分布112a 中掺杂浓度斜向相反方向，即斜向右边。相反，隔离的晶体管114 显示出对称的浓度图样114a,不斜向任何方向。
基于这些结果，假设该问题可能与晶体栅格中的来自损坏区域 的填隙原子的重组有关。如图ld中所示，并且如上面注意到的，通 常通过原子注入将掺杂物(诸如硼、磷或砷)引入源区和漏区，以 创建该区域中的高传导层。该注入过程在目标晶体栅格中产生损坏 区域130,其中新注入的原子使得先前占据晶体栅格位置的原子(通常是Si原子)发生移位(displace)。当然，移位的原子仍然出现在 栅格中，作为栅格位置之间的填隙原子。还知道移位的填隙原子趋 向于通过扩散过程，向着晶体结构的表面迁移，该表面诸如是晶体 结构和STI 122之间的界面，或者硅沟道和栅极叠层123之间的界面， 其中移位的原子可以在沟道表面重组到自由Si栅格位置，其表征表 面区域。这发生在应用热退火工艺期间的升温时。图3中的扩散路 径由箭头132示出。如可以看出的，各个原子为了达到表面并且在 那重组必须行进的距离是不同的，其使得位于靠近这样的表面的离 子更可能能够快速重组。填隙原子的移动具有增强像硼、磷或砷这 样的掺杂物的扩散率的副作用，该现象被称为瞬时增强扩散(TED)。 掺杂物在沟道中经历的TED的量确定了靠近沟道表面的掺杂浓度， 并且由此确定了阈值电压。由此，在不同硅表面处的填隙原子的重 组影响了邻近的MOSFET的阈值电压。
返回图lb,应该明白，可以预期在晶体管114的沟道中的填 隙原子的重组图样是对称的，因为在晶体管的任意一侧到STI壁的 距离是相同的。然而，对于晶体管110和112,应用该发现将导致预 期掺杂浓度歪向STI壁，并且事实上这正是所得到的发现结果。
本发明的两个发明人的并且由本申请的受让人所拥有的、标题 为"Method For Suppressing Layout Sensitivity of Threshold Voltage in a Transistor Array"的、序列号为11/757,294的美国专利申请教导并 要求保护一种用于平滑由于TED所产生的阈值电压的变化的方法。
如果以下定义被建立，则此处的描述将也是有帮助的。如图1 中所示，如此处所使用的，晶体管的"纵向"是当晶体管被导通时 从源才及到漏极的电流方向。"横向"(transverse direction)是垂直 于纵向且垂直于电流方向的方向。晶体管的纵向和横向都被视为 "侧"向(lateral direction),意指平行于表面的方向。其他"侧" 向包括平行于表面但以一个角度与横向和纵向二者相交的方向(未 示出)。"垂直，，方向是沟道的表面的法向并且由此垂直于所有可 能的侧面方向。布图中的结构的"长度"是其在纵向上的长度，并且它的"宽度"是其在横向方向上的宽度。从晶体管114的布图中 可以看出，它的沟道128的长度比它的宽度小得多，其对于在逻辑 电^^中所使用的晶体管而言是典型情况。图1中还示出X、 Y和Z 坐标轴。在图l的布图中，X方向与纵向相同，Y方向与横向方向 相同，而Z方向同时垂直于纵向和横向方向，表示进入集成电路芯 片的深度。
图2是本发明的实施例的总体流程图。如此处的所有流程图一 样，应该理解，在不影响所实现的功能的条件下，这些步骤中的许 多步骤可以被合并、并行地执行或以不同的次序来执行。在某些情 况下，仅在还进行某些其他改变的情况下，这些步骤的重新排列将 实现相同的结果，以及在其他情况下，仅在特定条件被满足的情况 下，这些步骤的重新排列将实现相同的结果。
图2的实施例工作为自动化集成电路设计系统的一部分，所述 自动化集成电路设计系统诸如是本申请的受让人所推向市场的 SEISMOS软件。应该理解，其他实施例可以配置成以孤立才莫式来工 作，或者作为在不同设计环境内工作的模块。在所有这些例子中， 所要求的系统的工作原理是一样的。
参考图2，在步骤210中，系统首先通过被选择的布图中的晶 体管来开始循环。因为使用本发明的特征可以确定阈值电压偏移值 的速度和准确性，有可能确定集成电路芯片上的所有晶体管的阔值 电压偏移。备选地，用户可只选择某些重要的晶体管，诸如沿着关 键路径之一的那些晶体管。本发明的实施例能够实现对总共包含超 过大约12个晶体管或超过3个扩散区域的布图区域的相当准确的分 析，这二者用常规方法实现是不切实际的或不可行的。出于图示的 目的，将假设在步骤210中所选择的第一个晶体管是晶体管112 (图 1)。
在步骤212中，系统识别所选的晶体管中的沟道区域并执行初 始计算。在一个实施例中，TCAD布图分析软件被用来容易地完成 这个任务。结合图3,最形象地展现这个步骤，其中扩散区域312被栅极材料的条带穿过以限定两个晶体管314和316。从晶体管314 开始，初始问题是什么物理特征对TED有影响。显然，与应力不同， TED效应不会传播穿过STI，从而本发明可以被限制到单个扩散区 域上的晶体管。而且，本计算将被限于X方向和Y方向上的效应。 应该注意，此处的轴是图la和图lb中的平面图部分中的那些轴， 取X方向作为纵向且取Y方向作为横向。根据上述讨-i仑，应当清楚 TED将受Si/STI界面和栅极区域的影响。因此，在X方向上，可以 将与X轴相交的边标识为Si/STI界面XI、 X4和X7以及沟道边缘 X2、 X3、 X4和X5。在Y方向上，将仅仅出现Si/STI边缘，当然， 在这个例子中它们是Yl-Y7。该分析还将沟道区域标识为栅极边缘 X2-X3与X5-X6之间的那些区域。到每个栅极区域的中心的距离被 确定以供进一步使用。分别测量在X方向上距沟道的4黄向中心线的 距离以及在Y方向上距纵向中心线的距离。
在图2中给出的实施例中，假设单次计算将提供阈值电压偏移 的足够精确的表示。如果期望，沟道区域内的采样点可以被选择。 优选地，采样点纟皮选择成位于横向穿过沟道定位以及在纵向上位于 沟道中间的线上，并且在沟道内沿着那条线是均匀间隔的。 一般， 努力估计整个沟道上的阈值电压分布。因为沟道在纵向上通常非常 短，所以在布署在沟道的横向中心的单个侧向(laterally-oriented) 线上选择所有采样点常常就足够了 。设计者将选择沟道上的多个采 样点，其表示在准确性与分析速度之间的可接受的折衷，采样点较 多时准确性提高，采样点较少时分析速度提高。
在步骤214与216中，X方向和Y方向的阈值电压偏移是近似 的。(如此处所使用的，术语"近似"包括"精确"这种特殊情况。 由此，也可能在某些情况下在步骤214、 216中所开发出的这种近似 将是精确的。)这些计算需要若干依赖于工艺的参数AVtmax,最 大阈值电压偏移；在Si/STI界面处产生的otsn、 aSTI和pSTI;以及在
Si/p0ly界面处产生的0Cgate和(3gate。如本领域技术人员所理解的那样，
这些参数可以利用本领域中通常可获得的TCAD软件系统来计算，或者可以制造测试结构，使用该测试结构可以进行测量。在任一情 况中， 一旦一组参数被开发用于给定处理流程，那些参数对在该处 理流程下制造的所有布图都保持有效。
图4和图5中的方法以相似的形式来进行。在两个实例中，该
方法计算每个相关边所产生的对TED的影响，所述相关边就是横穿 被考虑的轴的那些边。给定边的影响是通过计算每条边在扩散区域 中的影响来获得的，其是通过计算衰减函数在边距处的操作来发现
的。接着，计算这些影响的和并且接着乘以参数AVtm狀以获得由于 该方向上的影响所导致的总阈值电压偏移。
对于不同的实施例以及针对不同的布图尺寸，在这些计算中使 用的衰减函数可以不同。因为难以从物理原理推导出真实衰减函数 的原因，大多数实施例将仅是近似它。相克略地，所选的函凄丈应该在 近场为强但是是有限值，渐进地减少，直到在远场中为零，并且在 中场中它应当表现为两者间的某个值。在优选的实施例中，针对X
方向使用以下衰减函lt:
w(x"l/((Xi/af + Si) (1)
在方程(l)中，oci和(3i由若干因素来确定，包括暈圈注入能 量(halo implant energy)，即由源/漏注入所产生的注入破坏的量， 以及用于退火的热预算。ai， (3i和si的值可以通过使用全TCAD仿真 来估计或者通过使用对测试结构的电气测量来校准。
在其他实施例中可以使用其他类型的衰减函数近似。可以使用 的另 一 函数类型是误差函数erfc(r)。在某些实施例中，衰减函数、(r) 可能不是严格单调的，其中r可以是X方向或Y方向中任意一个上 的距离。
已经发现当计算X方向上的阈值电压偏移时，方程1中所给 出的衰减函数提供了最佳结果，而对于Y方向上的边，误差函数erfc 提供了出众的计算。
图4描绘了步骤214的处理400,即对由于X方向上的影响引 起的阈值电压偏移的计算。如在图3中可以看出的那样，栅极/STI边和Si/STI边横对着X轴，并且因此控制块410循环经过那些边中 的每个边，确定由那些边中的每条边所施加的对阔值电压偏移的影 响。块412应用方程4到数据，进行计算，并接着在块414中将结 果添加到正在计算的总影响。总影响是来自每条边的影响的和，接 着乘以参数AVt,。该循环继续，直到方框416 4企测到过程的结束。
图5描绘了类似的步骤216 (图2)的用于计算Y方向上的阈 值电压偏移的过程。此处，仅仅Si/STI边是横对着Y轴的，并且已 经发现最佳结果是由以下表达式来提供的
Xi(y) = erfc (y / cr)
所示出的实施例使用互补误差函数erfc。本领域的普通技术人员将理 解，也可以使用误差函数的非互补形式erf，以及具有类似空间行为 的某些其他数学函数。过程500继续，在控制块510中，循环经过 每个相关边，并且接着在步骤512中，将误差函数应用到先前针对 那条边收集的数据，并且接着在步骤514处将结果添加到累加计算 的阈值电压偏移中。在步骤516中，该过程继续，直到所有边都已 经3皮处理。
已经出于图示和描述的目的提供了本发明的优选实施例的上 面的描述。它不是旨在进行穷举或将本发明限制到所公开的精确形 式。很明显，许多改变和变形对于本领域技术人员而言将是显然的。
这些实施例的选择和描述是为了最好地解释本发明的原理和 它的实际应用，由此使得本领域技术人员能够针对各种实施例来理 解本发明以及不同修改适合于预期的特定使用。其旨在说明本发明 的范围将由以下权利要求书和它们的等价物来限定。
是应该理解这些例子旨在进行说明而不是作为限制。可以预期，本 领域技术人员容易想到各种修改和组合，这种修改和组合将落在本 发明的精神和所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于估计集成电路布图中由于布图引起的阈值电压的变化的自动化方法，包括步骤选择供分析的布图内的扩散区域；识别所选择的区域上的Si/STI边；识别沟道区域和它们的关联的栅极/Si边；确定每个识别的沟道区域中的阈值电压变化，其包括步骤计算由于纵向上的影响造成的阈值电压变化；计算由于横向上的影响造成的阈值电压变化；合并所述纵向变化和横向变化以提供整个变化；以及通过合并各个沟道变化来确定总变化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中计算阈值电压变化包括将最大阈值电压变化乘以衰减函数。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述衰减函数是Mr"l/((Xi/af + Si)，其中(Xi、 pi和Sj是与工艺和材料相关的因子，并且r是X或Y方向中的任意一个上的距离。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中所述衰减函数是互补误差函数erfc。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中所述衰减函数是误差函数erf。
6. 根据权利要求2所述的方法，其中由于纵向上的影响造成的阈值电压变化是根据以下衰减函数来计算的，、(x)-l/((Xi/af + Si)其中(Xi、 J3i和Si是与工艺和材料相关的因子；以及由于横向上的影响造成的阈值电压变化是根据互补误差函数erfc来计算的。
7. —种用于自动估计集成电路布图中由于布图引起的阈值电压 的变化的系统，包括数字计算机，其包括处理器、显示装置和数据存储装置；计算机程序，其被存储在所述数据存储装置上，被配置成执行 以下步骤选择供分析的布图内的扩散区域；识别所选择的区域上的Si/STI边；识别沟道区域和它们的关联的栅极/Si边；确定每个识别的沟道区域中的阈值电压变化，其包括步骤 计算由于纵向上的影响造成的阈值电压变化； 计算由于横向上的影响造成的阈值电压变化； 合并所述纵向变化和横向变化以提供整个变化；以及通过合并各个沟道变化来确定总变化。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中计算阈值电压变化包括将 最大阈值电压变化乘以衰减函数。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述衰减函数是 <formula>formula see original document page 3</formula>其中(Xi、 (3j和Si是与工艺和材料相关的因子。
10. 根据权利要求8所述的系统，其中所述衰减函数是互补误 差函数erfc。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述衰减函数是误差函 数erf 。
12. 根据权利要求8所述的系统，其中由于纵向上的影响造成的阈值电压变化是根据以下衰减函数来 计算的，<formula>formula see original document page 3</formula>其中oci、 (3i和Si是与工艺和材料相关的因子；以及 由于横向上的影响造成的阈值电压变化是根据互补误差函数 erfc来计算的o
13. —种用于自动估计集成电路布图中由于布图引起的阈值电 压的变化的系统，包括计算机程序装置，其被存储在数据存储装置上，用于选择供分析的布图内的扩散区域；识别所选择的区域上的Si/STI边；识别沟道区域和它们的关联的栅极/Si边；确定每个识别的沟道区域中的阈值电压变化，其包括步骤 计算由于纵向上的影响造成的阈值电压变化； 计算由于横向上的影响造成的阈值电压变化；合并所述纵向变化和横向变化以提供整个变化；以及 通过合并各个沟道变化来确定总变化。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中计算阈值电压变化包括 将最大阈值电压变化乘以衰减函数。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中所述衰减函数是 、(r) = l/((Xi/a)pi + Si)，其中oii、 (3i和Si是与工艺和材料相关的因子，而r是X或Y方 向中的任何一个上的距离。
16. 根据权利要求14所述的系统，其中所述衰减函数是互补误 差函数erfc 0
17. 根据权利要求14所述的系统，其中所述衰减函数是误差函 数erf 。
18. 根据权利要求14所述的系统，其中由于纵向上的影响造成的阈值电压变化是根据以下衰减函数来 计算的，、(X"l/((Xi/af+ &)其中(Xi、 Pi和Si是与工艺和材料相关的因子；以及由于横向上的影响造成的阈值电压变化是根据互补误差函数erfc来计算的。
全文摘要
一种用于估计集成电路布图中由于布图引起的阈值电压的变化的自动化方法。该方法开始于选择供分析的布图内的扩散区域的步骤。接着，该系统识别所选择的区域上的Si/STI边和沟道区域以及它们的关联的栅极/Si边。接着，识别每个标识的沟道区域中的阈值电压变化，其进一步需要以下步骤计算由于纵向上的影响造成的阈值电压变化；计算由于横向上的影响造成的阈值电压变化；以及合并该纵向和横向变化以提供整体变化。最后，通过合并各个沟道变化来确定总变化。
文档编号G06F17/50GK101681386SQ200880014235
公开日2010年3月24日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年6月1日
发明者D·普拉玛尼克, V·莫罗兹 申请人:新思科技有限公司