實驗結果分析

4 - 3 - 1 H o t - C a r r i e r S t r e s s i n g 實 驗 結 果

從 先 前 的 文 獻 我 們 可 以 得 知 短 通 道 元 件 其 熱 載 子 退 化 最 嚴 重 的 情 況 是 發 生 在 閘 極 電 壓 ( V g ) 等 於 汲 極 電 壓 ( V d ) 時 ， 因 此 我 們 將 H o t - C a r r i e r S t r e s s 的 條 件 設 在 閘 極 電 壓 等 於 汲 極 電 壓 等 於 臨 限 電 壓 + 1 V 進 行 電 性 逼 迫 ， 見 圖 4 - 2 - 3 。

圖 4 - 3 - 1 - 1 是 9 0 n m B C - S O I N M O S F E T 在 不 同 C E S L 應 力 層 下 s t r e s s 條 件 在 閘 極 與 汲 極 電 壓 操 作 在 臨 限 電 壓 + 1V 下 1 0 0 分 鐘 前 後 汲 極 電 流 對 汲 極 電 壓 的 關 係 圖 ， 經 過 10 0 分 鐘 的 s t r e s s 之 後 ， 元 件 的 汲 極 飽 和 電 流 I d s a t 出 現 明 顯 的 退 化 ， H i g h T e n s i l e d e v i c e 經 過 1 0 0 分 鐘 s t r e s s 後 其 I d s a t 退 化 了 9 4 ( u A / u m ) 較 L o w T e n s i l e d e v i c e 退 化 了 5 4( u A / u m ) 來 得 多 ， 此 外 我 們 可 以 發 現 到 在 線 性 區 的 汲 極 電 流 改 變 了 ， 這 是 因 為 stress 後 interface s t a t e s 的 增 加 導 致 載 子 遷 移 率 降 低 而 引 起 串 聯 電 阻 升 高 所 致 。 由 圖 4 - 3 - 1 - 2 轉 移 電 導 ( G m ) 對 閘 極 電 壓 ( V g ) 的 關 係 圖 ， 由 此 圖 我 們 亦 可 見 H i g h T e n s i l e d e v i c e 之 G m 峰 值 退 化 量 也 較 L o w T e n s i l e d e v i c e 退 化 量 還 要 來 得 高 ， 而 G m 峰 值 的 代 表 意 義 是 I d - V g 圖 形 中 臨 界 區 的 最 大 斜 率 ， 這 個 值 的 下 降 也 代 表 著 次 臨 界 區 的 最 大 斜 率 降 低 ， 同 時 也 能 夠 反 應 出 元 件 遷 移 率 的 降 低 ， 這 乃 是 由 於 界 面 狀 態 產 生 所 造 成 的 。 圖 4-3-1-3 是 90nm BC-SOI N M O S F E T 在 不 同 C E S L 應 力 層 下 s t r e s s 條 件 在 閘 極 與 汲 極 電 壓 操 作 在 臨 限 電 壓 +1V 下 100 分 鐘 前 後 汲 極 電 流 對 閘 極 電 壓 的 關 係 圖 ， 經 過 1 0 0 分 鐘 的 s t r e s s 之 後 ， 可 見 到 圖 形 之 斜 率 變 化 以 及 向 右 移 動 的 趨 勢 ， 我 們 認 為 這 是 因 為 i n t e r f a c e s t a t e s 增 加 與 電 荷 注 入 氧 化 層 造 成 氧 化 層 缺 陷 的 結 果 ， stress 後 因 為 熱 載 子 效 應 所 造 成 的 i n t e r f a c e s t a t e s 與 電 子 注 入 的

緣 故 使 得 需 要 再 額 外 增 加 閘 極 電 壓 來 補 償 這 些 缺 陷 與 抵 補 電 子 ， 導 致 臨 限 電 壓 增 加 。 另 外 我 們 也 可 以 看 到 H i g h T e n s i l e d e v i c e 因 有 較 高 的 應 力 影 響 下 ， 導 致 其 元 件 亦 有 較 高 的 i n t e r f a c e s t a t e s ， 在 經 過 閘 極 給 予 負 偏 壓 而 汲 極 給 予 正 偏 壓 條 件 下 所 造 成 的 強 大 電 場 ， 拉 開 了 更 多 電 子 電 洞 對 ， 而 電 子 由 價 電 帶 穿 透 到 導 電 帶 所 造 成 ， 因 而 有 較 高 的 G I D L ( G a t e I n d u c e d D r a i n L e a k a g e ) 效 應 發 生 ； 而 我 們 也 運 用 下 述 公 式 8 推 算 出 次 臨 限 斜 率 ( S u b t h r e s h o l d S w i n g ， S . S . ) ， 從 次 臨 限 斜 率 也 可 以 看 到 High Tensile device 經 過 Hot-Carrier stress 後 其 臨 限 斜 率 變 得 更 大 ， 這 是 因 為 高 伸 張 應 力 元 件 i n t e r f a c e s t a t e s 增 多 所 導 致 的 。 同 時 我 們 也 發 現 到 經 過 s t r e s s 之 後 在 閘 極 電 壓 為 零 時 ， 元 件 之 o f f - s t a t e c u r r e n t 有 些 微 降 低 ， 這 是 因 為 經 過 s t r e s s 後 ， 有 部 份 的 電 子 注 入 閘 極 氧 化 層 ， 導 致 臨 限 電 壓 變 大 ， 而 氧 化 層 因 有 電 子 注 入 ， 幫 助 通 道 關 閉 因 而 降 低 了 o f f - s t a t e c u r r e n t 。

(log )

G D

S dV

d I

≡ … … … ( 9 ) 由 圖 4-3-1-4 與 圖 4-3-1-5 我 們 可 以 分 別 看 到 閘 極 電 壓 對 閘 極 電 流 與 閘 極 電 壓 對 基 板 電 流 的 關 係 圖 。 我 們 可 以 看 見 短 通 道 元 件 在 熱 載 子 退 化 最 嚴 重 的 條 件 下 ( V g = V d )， 其 衝 擊 游 離 化 對 元 件 的 影 響 ， 當 熱 載 子 在 汲 極 端 撞 出 的 電 子 電 洞 對 ， 電 洞 成 為 基 板 電 流 ( I s u b ) ， 而 電 子 可 能 穿 越 閘 極 氧 化 層 成 為 閘 極 電 流 ( I g ) 。 由 圖 4 - 3 - 1 - 4 我 們 可 以 看 見 經 過 1 0 0 分 鐘 s t r e s s 後 ， 高 伸 張 應 力 元 件 經 由 衝 擊 游 離 化 效 應 電 子 穿 越 閘 極 氧 化 層 的 載 子 數 量 較 低 伸 張 應 力 元 件 還 要 多 ， 同 樣 的 在 基 板 流 動 的 電 洞 亦 有 相 同 的 趨 勢 ， 見 圖 4 - 3 - 1 - 5。 另 外 我 們 也 針 對 這 些 電 性 做 變 化 量 的 比 較 ， 亦 為 相 同 的 趨 勢 ， 見 圖 4 - 3 - 1 - 6 ~ 4 - 3 - 1 - 9。 由 上 述 結 果 我 們 可 以 得 到 高 伸 張 應 力 元 件 因 有 較 大 的 應 變 壓 力 及 因 應 變 引 起 較 多 i n t e r f a c e s t a t e s 導 致 其 熱 載 子 的 可 靠 度 較 低 伸 張 應 力 元 件 來 得 差 。

由 過 去 的 經 驗 我 們 知 道 ， 當 閘 極 氧 化 層 小 於 3n m 下 時 ， P M O S F E T 的 退 化 機 制 將 跟 以 往 有 所 不 同 ， 此 外 在 我 們 的 實 驗 中 也 發 現 到 當 P M O S F E T 元 件 微 縮 到 深 次 微 米 後 ， 其 h o t h o l e c u r r e n t 是 會 發 生 的 ， 而 在 先 前 的 文 獻 中 也 發 現 到 在 汲 極 電 壓 較 小 時 ， 其 對 閘 極 氧 化 層 的 破 壞 最 為 嚴 重 。 同 樣 的 我 們 也 對 PMOSFET 做 了 與 NMOSFET 一 樣 的 stress 條 件 進 行 量 測 ， 並 分 析 其 電 性 ， 比 較 N - P M O S F E T 之 間 的 退 化 情 形 。 由 圖 4 - 3 - 1 - 1 0 ~ 4 - 3 - 1 - 1 2 我 們 可 以 看 見 無 論 是 元 件 驅 動 電 流 (Id) 、 轉 移 電 導 (Gm) 以 及 次 臨 限 斜 率

（ S . S . ） 在 經 過 1 0 0 分 鐘 s t r e s s 後 其 退 化 程 度 並 不 如 N M O S F E T 那 麼 明 顯 ， 其 主 要 原 因 乃 是 由 於 電 洞 之 有 效 質 量 較 電 子 大 以 及 載 子 遷 移 率 不 如 電 子 來 得 快 ， 所 以 P M O S F E T 之 i m p a c t i o n i z a t i o n r a t e 較 不 像 N M O S F E T 來 得 明 顯 ， 使 得 P M O S F E T 元 件 之 熱 載 子 退 化 較 為 輕 微 ， 見 圖 4 - 3 - 1 - 1 3。 另 外 我 們 從 圖 4 - 3 - 1 - 1 4 中 看 到 I g - V g 之 關 係 圖 ， 此 時 的 閘 極 電 流 ( I g ) 為 負 值 ， 這 代 表 此 時 有 電 洞 穿 透 過 閘 氧 化 層 ， 經 過 1 0 0 分 鐘 電 壓 s t r e s s 後 ， 電 洞 的 t u n n e l i n g 確 實 造 成 了 閘 氧 化 層 的 傷 害 ， 經 過 s t r e s s 之 後 ， 電 洞 將 有 更 大 的 機 率 得 以 穿 透 閘 氧 化 層 而 形 成 閘 極 電 流 ( I g ) ， 造 成 閘 極 電 流 增 加 。

4 - 3 - 2 P B I / N B I 實 驗 結 果

正 負 偏 壓 不 穩 定 性 的 量 測 方 式 我 們 可 以 參 照 圖 4 - 2 - 2， 閘 極 端 給 予 正 / 負 偏 壓 條 件 （ N M O S F E T 給 予 正 偏 壓 ， 而 P M O S F E T 給 予 負 偏 壓 ）， 在 室 溫 下 進 行 可 靠 度 量 測 。 由 先 前 的 文 獻 【 3 0 】 我 們 知 道 正 負 偏 壓 不 穩 定 性 與 熱 載 子 退 化 二 者 屬 於 不 同 性 質 的 元 件 退 化 機 制 ， 熱 載 子 屬 於 H C s t r e s s ； 而 正 負 偏 壓 不 穩 定 性 則 是 屬 於 F N s t r e s s 。 圖 4 - 3 - 2 - 1 為 N M O S F E T 在 不 同 應 力 C E S L 下 經 過 1 0 0 分 鐘 後 正 偏 壓 不 穩 定 性 可 靠 度 量 測 之 I d - V g 關 係 圖 。 由 圖 中 我 們 可 以 見 到 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 經 過 F N s t r e s s 之 後 S i / S i O²界 面 經 過 電 壓 逼 迫 造 成 S i - H 斷 鍵 使 得 產 生 的 界 面 缺 陷 ( D i t ) 較 高 伸 張 應 力 應 變

元 件 還 要 多 ， 我 們 由 次 臨 限 斜 率 ( S . S . ) 變 化 量 亦 能 看 出 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 之 增 加 量 也 比 高 伸 張 應 力 應 變 元 件 來 的 高 ； 由 於 經 過 F N s t r e s s 之 後 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 界 面 缺 陷 變 多 了 ， 導 致 元 件 之 驅 動 電 流 也 隨 著 退 化 ， 由 圖 4 - 3 - 2 - 2 的 I d - V d 關 係 圖 能 清 楚 看 見 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 之 驅 動 電 流 退 化 量 也 較 高 伸 張 應 力 應 變 元 件 來 得 多 ； 相 同 的 ， S i / S i O²界 面 斷 鍵 所 造 成 的 缺 陷 也 將 影 響 到 元 件 轉 移 電 導 ( G m ) 的 特 性 變 差 ， 如 圖 4 - 3 - 2 - 3 。

而 在 文 獻 【 3 6 】 中 我 們 也 得 知 N M O S F E T 經 由 單 軸 伸 張 應 力 應 變 能 夠 減 少 閘 極 電 子 穿 隧 電 流 ， 若 為 單 軸 壓 縮 應 力 應 變 則 會 增 加 閘 極 電 子 穿 隧 電 流。反 之 在 P M O S F E T 則 為 相 反 的 情 形。由 圖 4 - 3 - 2 - 4 我 們 可 以 見 到，N M O S F E T 經 過 伸 張 應 力 應 變 後 其 六 個 能 帶 谷 將 分 離 成 △ 4 與 △ 2 ， 而 載 子 經 由 s t r a i n e d 後 重 新 分 佈 ， 大 多 數 的 將 聚 積 在 較 低 能 帶 的 △ 2 ， 此 時 △ 2 的 多 數 載 子 將 具 有 較 高 的 能 障 (b a r r i e r h e i g h t ) ， 使 得 當 閘 極 給 予 偏 壓 情 況 下 ， 載 子 將 不 容 易 經 由 F N T u n n e l i n g 的 方 式 到 達 閘 極 而 形 成 了 閘 極 漏 電 流 ； 在 P M O S F E T 也 有 相 同 的 情 形 ， 見 圖 4 - 3 - 2 - 5 。 而 經 過 我 們 的 實 驗 也 得 到 了 相 同 的 結 果 ， 高 伸 張 應 力 應 變 元 件 的 確 有 較 優 異 抑 制 閘 極 漏 電 流 之 能 力 ， 如 圖4-3-2-6。圖 4 - 3 - 2 - 7 我 們 見 到 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 其 臨 限 電 壓 經 過 1 0 0 分 鐘 後 F N s t r e s s 之 後 變 化 量 較 高 伸 張 應 力 應 變 元 件 來 的 高 ， 其 原 因 與 上 述 提 及 的 原 因 相 同 ， 因 為 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 經 過 F N s t r e s s 後 產 生 較 高 的 界 面 缺 陷 ( D i t )， 使 用 電 子 容 易 被 t r a p e d 在 界 面 處 ， 因 此 元 件 將 需 要 更 高 的 臨 限 電 壓 讓 元 件 導 通 ； 另 外 在 元 件 驅 動 電 流 、 轉 移 電 導 以 及 閘 極 漏 電 流 的 部 份 我 們 也 對 其 做 變 化 量 對 初 始 值 之 百 分 比 對 照 圖 ， 見 圖 4 - 3 - 2 - 8 ~ 4 - 3 - 2 - 1 0 ， 我 們 都 看 見 了 與 上 述 基 本 電 性 相 同 的 結 果 ， 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 經 過 1 0 0 分 鐘 F N s t r e s s 後 退 化 情 形 將 比 高 伸 張 應 力 應 變 元 件 來 的 差 。

另 外 我 們 也 針 對 主 宰 深 次 微 米 P M O S F E T 元 件 之 負 偏 壓 不 穩 定 性 進 行 與 N M O S F E T 相 同 的 條 件 做 量 測 。 同 樣 的 從 圖 4 - 3 - 2 - 1 1 我 們 也 看 見 了 與

N M O S F E T 元 件 一 樣 的 趨 勢 ， 即 經 過 了 1 0 0 分 鐘 後 之 F N s t r e s s 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 所 產 生 的 界 面 缺 陷 ( D i t ) 數 量 也 較 高 壓 縮 應 力 應 變 元 件 來 得 多 ， 由 次 臨 限 斜 率 變 化 可 知 ； 相 同 的 ， 界 面 缺 陷 之 造 成 也 將 影 響 到 元 件 之 驅 動 電 流 ( I d ) 與 轉 移 電 導 ( G m ) 之 退 化 ， 見 圖 4 - 3 - 2 - 1 2 ~ 4 - 3 - 2 - 1 3。 而 在 閘 極 漏 電 流 的 部 份 也 由 於 單 軸 應 變 機 制 使 得 多 數 載 子 多 集 中 在 次 能 帶 ， 載 子 較 不 容 易 經 由 FN Tunneling 的 方 式 形 成 閘 極 漏 電 流 ， 見 圖 4-3-2-14 。 同 樣 的 我 們 也 對 不 同 應 力 P M O S F E T 應 變 元 件 之 重 要 參 數 做 變 化 量 百 分 比 之 比 較 。 圖 4 - 3 - 2 - 1 5 為 臨 限 電 壓 變 化 量 之 比 較 圖 ， 我 們 見 到 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 具 有 較 高 的 變 化 量 ， 其 原 因 也 是 由 於 經 過 1 0 0 分 鐘 的 F N s t r e s s 後 產 生 較 高 的 界 面 缺 陷 數 量 所 引 起 的 ； 因 為 界 面 缺 陷 數 量 的 變 化 量 增 多 也 進 而 導 致 轉 移 電 導 ( G m) 及 驅 動 電 流 (Id ) 隨 之 退 化 增 多 ， 如 圖 4 - 3 - 2 - 1 6 ~ 4 - 3 - 2 - 1 7； 圖 4 - 3 - 2 - 1 8 為 閘 極 漏 電 流 增 加 的 百 分 比 ， 由 基 本 電 性 圖 4 - 3 - 2 - 1 4 亦 能 佐 證 。 由 此 我 們 也 得 知 與 N M O S F E T 有 相 同 的 結 果 ， 在 低 伸 張 應 力 應 變 元 件 經 過 1 0 0 分 鐘 F N s t r e s s 後 退 化 情 形 將 高 壓 縮 應 力 應 變 元 件 來 的 差 。