閘極空乏

上節的討論可知氮離子的佈植可改善硼離子穿透效應，高濃度的 氮離子佈植雖有較好的阻擋硼離子的效果，但所伴隨而來的閘極空乏 也是我們不得不重視的影響。閘極空乏可由電壓-電容的量測來討論。

電容的量測為使用HP 4284 C-V分析儀在高頻（1ＭHz）的電壓-電容量測中獲得。所有C-V曲線的量測面積為100μm x 10μm。由公式

比尚未離子佈植的傳統複晶矽片電阻值還低，表示利用複晶矽鍺作為 閘極由於因為活化能較低而使得片電阻值相對的減小。比較乾氧環境 下與N2O 環境下成長閘極氧化層元件之片電阻值，不難發現在經過 氮離子植入濃度為1x10¹⁵ ions/cm²時，其不論是在乾氧環境下或N2O 環境下成長閘極氧化層元件之片電阻值都相當接近，表示都具有相當 強的硼離子捕捉效果，而N2O 閘極氧化層有較高的片電阻值，推測 是更多的硼離子與氮離子鍵結，因此有較高的片電阻值，推究其原因 是複晶矽(鍺)閘極與閘極氧化層介面堆積了許多氮原子，與矽形成矽 氮強鍵來取代矽氧弱鍵結，並且有效的減少硼原子擴散到氧化層。由

【圖 3-7、3-8】可得知各條件的電容值，將圖中的Cmax帶入【式 3-1】

可以分別得到其厚度，這個厚度的值也決定了我們之後NBT-stress 時閘極所應加之偏壓(Vg)的大小。各不同條件的晶片上所測的的厚度 分別列於【表 3-1】，各條件下晶片測量電容所求的之有效閘極介電 層厚度(tox)。由以上的討論我們可以瞭解，對於不同的硼離子佈植劑 量與活化溫度的製程條件下，要在閘極空乏與硼穿透效應兩者間做一 取捨。

【圖 3-1】二次離子質譜儀(SIMS)分析。氮離子在複晶矽鍺閘極且氮 氧化矽閘極介電層和複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層的分佈

Depth(µm)

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3

Nitrogen Concentration(aton/cm3 )

100x10¹⁵ 1x10¹⁸ 10x10¹⁸ 100x10¹⁸ 1x10²¹ 10x10²¹

N₂⁺ 1x10¹³ N₂⁺ 1x10¹⁴ N₂⁺ 1x10¹⁵ control Substrate

Poly gate

【圖 3-2】二次離子質譜儀(SIMS)分析。

顯示氮離子在Dry oxide N²⁺ 1x10¹⁵：複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介 電層的分佈

Depth(µm)

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3

Nitrogen Concentration(aton/cm3 )

100x10¹⁵ 1x10¹⁸ 10x10¹⁸ 100x10¹⁸ 1x10²¹ 10x10²¹

Dry ox N₂⁺ 1x10¹⁵ Substrate

Poly gate

【圖 3-3(a)】通道長度為 1μm 的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植 濃度愈高時，有較大的臨界電位絕對值(|V_TH|)

L

_g

=1µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 Dry ox N2+e15 control

V TH(V) -0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

room

【圖 3-3(b)】通道長度為 10μm 的臨界電位變化，顯示當氮離子佈植 濃度愈高時，有較大的臨界電位絕對值(|V_TH|)

Lg=10µm

Wafer

N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 Dry ox No N2 Dry ox N2+e15 control

VTH(V) -0.8

-0.7

-0.6

-0.5

room

【圖 3-4(a)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃

【圖 3-4(b)】二次離子質譜儀(SIMS)分析。顯示隨著氮離子佈植濃

【圖 3-5(a)】Charging pumping current。複晶矽閘極且氮氧化矽閘極 control Fit curve

【圖 3-5(b)】Charging pumping current。複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘 極介電層有氮離子佈植的Qss 斜率比沒有氮離子佈植的元件較小，有 較少的硼穿透

Frequency(Hz)

4x10⁵ 5x10⁵ 6x10⁵ 7x10⁵ 8x10⁵ 9x10⁵1x10⁶ 2x10⁶

Q SS (C)

-200x10^-15

-150x10^-15

-100x10^-15

-50x10^-15

0

Dry ox No N₂ Dry ox N₂⁺ 1x10¹⁵ control

Dry ox No N₂ Fit curve Dry ox N₂⁺ 1x10¹⁵ Fit curve control Fit curve

【圖 3-6】不同含量的氮離子佈植對元件片電阻值上造成的效果，隨 著氮離子濃度的提高，元件有較高的片電阻值

control N2+ E13 N2+ E14 N2+ E15 ry ox No N2 ox N2+E15

Sheet Resistance(ohm/sq)

0 100 200 300 400 500 600 700

【圖 3-7】複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層與複晶矽閘極且氮氧 化矽閘極介電層的電壓-電容圖

V(volt)

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

C(F)

0 2x10^-12 4x10^-12 6x10^-12 8x10^-12 10x10^-12 12x10^-12 14x10^-12

N₂⁺ 1x10¹³ N₂⁺ 1x10¹⁴ N₂⁺ 1x10¹⁵ Control

【圖 3-7】複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層的電壓-電容圖 V(volt)

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

C(F)

0 2x10^-12 4x10^-12 6x10^-12 8x10^-12 10x10^-12 12x10^-12 14x10^-12

Dry ox No N₂ Dry ox N₂⁺ 1x10¹⁵

【表 3-1】各條件下晶片測量電容所求的之有效閘極介電層厚度(t_ox)

第四章

氮離子對負偏壓溫度不穩定性 NBTI 的影響

4.1 引言

本章節主要的內容為探討將 N₂O 氮化氧化層（Oxynitride）應用 在複晶矽鍺閘極上，及氮氧化矽閘極介電層與二氧化矽閘極介電層在 複晶矽鍺閘極加以不同劑量的氮離子佈植，對 P 型金氧半電晶體中 NBTI 的影響。此外我們也要研究的是在 NBTI 受到重視之前，常用 來做可靠性分析的工具：Channel Hot-Carrier (CHC)。

4.2 結果與討論

4.2.1 臨界電壓(V

_TH

)、最大轉移電導(Gm

_max

)

在此我們分別在三種溫度（室溫、75℃、125℃）測量了通道長 度為 1μm 與 10μm 的MOSFET 各 10 點，以求得各個溫度的平均 V_TH、 Gm_max，【圖 4-1(a)、4-1(b)】可以發現溫度升高後平均V_TH也跟著

下降，矽基板的本徵載子濃度為溫度的強烈函數，因此 EF也是溫度 形成NBTI 中的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)，因此 其NBTI 效應較嚴重。再看閘極離子佈植時氮離子計量對 NBTI 的影 響【圖 4-5、4-6、4-7、4-8】，無論是二氧化矽閘極介電層或氮氧化 矽閘極介電層都有氮離子劑量越大則 VTH 與 Gmmax的偏移越大的現 象，如室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後的 VTH的偏移： N²⁺ 1×

10¹³為-18.9mV，N²⁺ 1×10¹⁴為-19.7mV，N²⁺ 1×10¹⁵為-20.6mV，這說明 了閘極離子佈植時氮離子劑量對於閘極介電層的品質的影響。而複晶 矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層或二氧化矽閘極介電層不論有無氮 離子的佈植， VTH 與 Gmmax的偏移都比 Control:複晶矽閘極且氮氧 化矽閘極介電層明顯較大，顯示有氮離子的摻雜會使 NBTI 嚴重的 多。再看高溫的變化【圖 4-9、4-10、4-11、4-12】此為 125℃ -14MV NBTI stress 10000 秒後的VTH 與 Gmmax的偏移。變化的趨勢和室溫 -15MV NBTI stress 10000 秒後相同，但 VTH的偏移大幅的增加，N²⁺ 1×10¹⁵：複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層的 VTH 的偏移為-45 mV，所以由以上可以得到 NBTI-stress 的性質：閘極偏壓（Vg）越 大、stress 時溫度越高所造成 VTH的偏移越嚴重，當然這是在沒有

4.2.2 NBTI 與基板熱載子效應（Substrate Hot Hole，SHH）

極介電層垂直電場為-14 MV/cm，Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後 VTH 的 偏 移 ， 其 中 VTH-10000s= -40.9mV(Vsub=0V) ，VTH-10000s= -48.2mV(Vsub=2V)，增加的部分是因為Substrate Hot Hole 的參與而 造成的結果，我們假設在加上 Vsub 所造成的效應為在通道的能帶更 加陡直，而使得跨在 n-well 與 p-sub 間的空乏區的電場增大，產生 許多的電子電洞對，產生的電洞即所謂的Substrate Hot Hole。Substrate Hot Hole 的數量變大而且也會傷害閘極介電層，總體的電洞數量增大 了 ， 其 所 碰 撞 造 成 的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap) ，造成 VTH與 Gm的偏移也變得更大【圖 4-18】。【圖 4-19】

是二氧化矽閘極介電層與氮氧化矽閘極介電層各條件下的分別於

Vsub=0V、Vsub=2V 的 NBT-stress 後 VTH-10000s ，而在氮氧化矽閘極介 電 層 和 二 氧 化 矽 閘 極 介 電 層 各 條 件 下 VTH- 10000s(Vsub=2V)- VTH-

10000s(Vsub=0V)值，可得知 N²⁺ 1x10¹⁵會有最大的值，也就是在閘極離

子佈植時氮離子計量 1×10¹⁵ cm^-2會使得基板熱載子的影響變大。

4.2.3 溫度變化對 NBTI 的影響

由前面的章節我們可以知道溫度對NBTI 的影響，溫度越高造成 V_TH與 G_m的偏移也越大，在這章節我們再對溫度與 NBTI 的關係作 更深入的瞭解。【圖 4-20、4-21、4-22】為變溫下複晶矽鍺閘極且氮 氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離子佈植對 NBTI 的影響，閘極介電層垂直電場定義為 E_ox=(V_g-V_FB)/t_ox=-11 MV/cm，

溫度分別設定在 30℃、70℃與 110℃，可以看的出來在各溫度下，氮 離子佈植的劑量越高 V_TH偏移越大，在圖中 Log 　V_TH對 Stress Time 的斜率也越大。【圖 4-23、4-24、4-25】顯示變溫下複晶矽鍺閘極且 二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做不同劑量的氮離子佈植的 V_TH偏移，顯然在各溫度下 Dry ox N²⁺ 1x10¹⁵：複晶矽鍺閘極且二氧 化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量 1×10¹⁵ ions/㎝ ²的離 子佈植比沒有佈植氮離子的 Dry ox No N² 條件，圖形斜率明顯大的 多。我們在比較各條件在變溫下的變化，【圖 4-26】為 N²⁺ 1x10¹⁵：複

晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑量 1×

10¹⁵ ions/ ㎝ ² 的 離 子 佈 植 ， 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 定 義 為 E^ox=(V^g-V^FB)/t^ox=-11 MV/cm，溫度分別設定在 30℃、70℃與 110℃，

可以看的出來在各溫度下，溫度越高VTH偏移越大，但圖形斜率並沒 有改變，所以不同的溫度下造成 NBTI 的機制並沒有改變。【圖 4-27】

為複晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層而在定義閘極前做氮離子劑 量 1×10¹⁵ ions/㎝ ²的離子佈植在變溫時 VTH偏移的變化。我們可藉 由 LogΔVTH對溫度變化來做圖得到活化能（activation energy，Ea），

ΔVTH=Aexp(-Ea/kT) ，【圖 4-28】是複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極 介電層的VTH偏移對變溫的圖形，在不同的氮離子佈植條件下，斜率 沒有太大的改變，顯示各條件的活化能也相同則氮離子佈植的劑量並 沒有改變VTH偏移的機制。【圖 4-29】表示複晶矽鍺閘極且二氧化矽 閘極介電層的 VTH偏移對變溫的圖形，在對照【圖 4-30】由斜率可 以比較出，二氧化矽閘極介電層的活化能大於氮氧化矽閘極介電層的 活化能，唯不同的是在 A 值，A 值代表在介面上所有缺陷的總和。

4.2.4 動態負偏壓溫度不穩定性 DNBTI

一般的 NBTI 在加 stress 是維持固定的負閘極偏壓來造成 stress 的效果，進而得到元件的可靠性。但如果我們考慮元件應用

在一個CMOS 反相器上的話，當輸入端為低電壓(0)，而輸出端為高 電壓時(1)，這時的情況類似於閘極加負偏壓，會造成 NBTI 效應，使 得VTH變大與Gm變小。相對的，當輸入端為高電壓(1)，而輸出端為 低電壓時(0)，這時的情況類似於閘極加正偏壓，發生的現象有兩種：

【圖 4-31】正偏壓溫度不穩定性 PBTI (Positive Bias Temperature Instabilities) 與回復，這個現象指出其實 NBTI 所造成的傷害是可以 部分回復的，因此在可靠性分析與元件生命期的要求上可以放寬一 點。所以設計了以下的實驗：以 2000 秒為一區段，分別加上閘極的 負正偏壓『負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場為-13MV/cm，

正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為+13MV/cm、0Volt、

+1Volt 或+2Volt』，共 12000 秒的 stress，在 125℃下進行，記錄其 VTH與 Gmmax的偏移。

先由【圖 4-32】顯示複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層在不 同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm，

正 偏 壓 設 定 (Vgp) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 為 +13MV/cm 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，在前兩千秒 stress 後表現出前面章節 所提的 NBTI 的趨勢，但因 stress 的時間還不夠長，所以現象還不 明顯，在 2100 秒後在加正偏壓時同時會因為其電場而使得在負偏壓

溫度不穩定性 NBTI 時所產生的 H⁺會再跑回去與因 NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)產生回復的效應。在 12000 秒的 125℃的 DNBT-stress 後依然有氮離子劑量越大則VTH偏 移越大的現象，如 125℃-DNBTI-E=13 MV/cm stress 12000 秒後的 VTH的偏移： N²⁺ 1x10¹³為-15.6mV，N²⁺ 1x10¹⁴為-16.5mV，N²⁺ 1x10¹⁵ 為-17.2mV，跟 NBTI-stress 比較起來，其增加的幅度下降。此外比 較 Control 片: 複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有 片與 control 片經過 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極

溫度不穩定性 NBTI 時所產生的 H⁺會再跑回去與因 NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)產生回復的效應。在 12000 秒的 125℃的 DNBT-stress 後依然有氮離子劑量越大則VTH偏 移越大的現象，如 125℃-DNBTI-E=13 MV/cm stress 12000 秒後的 VTH的偏移： N²⁺ 1x10¹³為-15.6mV，N²⁺ 1x10¹⁴為-16.5mV，N²⁺ 1x10¹⁵ 為-17.2mV，跟 NBTI-stress 比較起來，其增加的幅度下降。此外比 較 Control 片: 複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有 片與 control 片經過 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極

在文檔中 複晶矽鍺閘極之負偏壓溫度不穩定性研究 (頁 34-0)