第八卷 第三期 - 2009年四月三日
熱載子導致之介面狀態其分佈對於0.35微米n型橫向擴散金氧半電晶體其線性汲極電流退化之研究
陳志方*、李佳叡

國立成功大學電機資訊學院微電子工程研究所
jfchen@mail.ncku.edu.tw

Applied Physics Letters, Vol. 92, pp. 103510, March 2008

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文所使用之元件為n型橫向擴散金氧半電晶體,此元件是由相容於0.35微米之CMOS製程所製造,元件的結構圖如圖1(a),元件的通道區域(Lch)、累積區域(Lacc)、與靠近汲極的隔絕區域(Lsp)亦標示於圖1(a)。此元件具有如下之特性:閘極(gate)氧化層厚度為30奈米,多晶矽閘極長度為0.8微米,閘極與汲極的操作電壓均為12 V。為了探討熱載子對元件造成的損傷,本實驗把元件的源極(source)與基極(bulk)接地,然後對汲極施以13.2 V定電壓進行加壓測試,此測試是在室溫下進行,閘極的電壓為3 V至11 V,加壓測試時間是3000秒。在測試的過程中,元件的線性汲極電流與起始導通電壓(threshold voltage)定期的被監測,而且電荷幫浦電流(charge pumping current)也被量測,由電荷幫浦電流的量測結果,可以分析元件在Si/SiO2之介面狀態密度(interface state density),圖1(b)是電荷幫浦電流的量測示意圖。除了線性汲極電流與電荷幫浦電流的量測結果,我們也使用製程模擬軟體(TSUPREM4)與元件模擬軟體(Medici)對元件進行模擬,接下來將會藉由嚴謹地分析實驗的量測結果與模擬結果,探討熱載子造成元件線性汲極電流退化之物理機制。
圖1、(a)本文所使用元件之結構圖,(b)電荷幫浦電流的量測示意圖。

圖2(a)為元件之線性汲極電流、起始導通電壓偏移與加壓測試時間的關係圖,實驗結果顯示閘極電壓較高時,元件之線性汲極電流退化會較大,而當閘極電壓為3 ~ 9 V時,起始導通電壓偏移很小(小於5 mV),顯示元件的Lch區域損傷很小,大部份的損傷是在Lacc與Lsp區域中,然而當閘極電壓為11 V時,起始導通電壓偏移卻大於10 mV,顯示元件的損傷區域有移至Lch區域的趨勢。圖2(b)為元件之基極電流與閘極電壓的關係圖,因為在高的閘極電壓(閘極電壓為12 V)時,基極電流並沒有增加的現象,此結果顯示本元件之Kirk effect並不明顯,因此在以下的分析中,Kirk effect對元件退化之影響並不列入考慮。
圖2、(a)元件之線性汲極電流、起始導通電壓偏移與加壓測試時間的關係圖,(b)元件之基極電流與閘極電壓的關係圖。

為了研究元件退化之物理機制,圖3呈現元件在加壓測試3000秒後,電荷幫浦電流之增加情形,而為了能進一步分析元件的介面狀態密度,我們藉由模擬之結果,可求出元件在Lch、Lacc、與Lsp區域的起始導通電壓與平帶電壓(flat-band voltage)分佈,結果如圖4所示。綜合圖3與圖4之結果,可得知當Vbase為0.5 V時,電荷幫浦電流之增加是由Lch區域的損傷所導致,而當Vbase為 -2 V時,電荷幫浦電流之增加是由Lch區域加上Lacc區域的損傷所導致,而當Vbase為 -8 V時,電荷幫浦電流之增加是由Lch區域、Lacc區域再加上Lsp區域的損傷所導致,因此經由分析圖3與圖4之結果,可驗證當閘極電壓為3 ~ 9 V時,元件的損傷位置確實是在Lacc與Lsp區域中,然而當閘極電壓為11 V時,雖然元件大部份的損傷仍是在Lacc與Lsp區域中,但Lch區域也有不少的損傷出現。
圖3、元件在加壓測試3000秒後,電荷幫浦電流之增加與Vbase之關係圖。
圖4、元件在Lch、Lacc、與Lsp區域的起始導通電壓與平帶電壓分佈,與不同位置之介面狀態對於元件線性汲極電流退化之影響。

因為元件的損傷是分佈在不同的區域,探討不同位置之損傷對於元件線性汲極電流退化之影響有其必要性,因此本研究利用模擬來分析此議題,結果如圖4所示。模擬結果顯示位在Lsp區域的損傷對於線性汲極電流退化有最大之影響,而在Lch區域的損傷對於線性汲極電流退化也有些影響,但位在Lacc區域的損傷對於線性汲極電流退化之影響是最小的。為了驗證上述的論點,圖5分析元件之線性汲極電流退化與Lsp區域介面狀態密度的關係,結果顯示當閘極電壓為3 ~ 9 V時,線性汲極電流退化與Lsp區域介面狀態密度二者之間有單一的關係存在,而當閘極電壓為11 V時,在相同的Lsp區域介面狀態密度條件下,元件有較大的線性汲極電流退化,此為位在Lch區域的介面狀態所造成,進而可證實上述元件退化物理機制的分析。根據圖5之結果,可知元件線性汲極電流退化主要是由位在Lsp區域的介面狀態所主導。
圖5、元件之線性汲極電流退化與Lsp區域介面狀態密度的關係圖。

藉由本文的研究,可明白因熱載子所生成之介面狀態,其位置分佈對於元件線性汲極電流退化之影響,並瞭解造成元件特性退化的物理機制,因此未來在製造橫向擴散金氧半電晶體時,除了介面狀態密度的大小,介面狀態密度的位置分佈也應加以重視,並列入元件可靠度檢測的項目之一。
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