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