關于ＭＯＳＦＥＴ的雙峰效應量化評估研究

陸玉娥　蔣卓勤　孔凡東　劉　劍

摘 要：介紹一種關于雙峰效應(Double-Hump)的評估方法。通過對MOSFET的I璬-V璯曲線的分析，雙峰效應的程度可以用數字化評估。采取這種量化表征，細致地研究了雙峰效應與摻雜濃度的關系。建立了MOS的V璽 和Punch-through的粒子注入有效濃度和雙峰效應的相互關系模型。它們之間的相互關系與現存的理論一致。

關鍵詞：雙峰效應；摻雜濃度；MOSFET;數字化評估

中圖分類號：TN386文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-182-02

Evaluation of Double Hump Phenomenon in MOSFET

LU Yu′e,JIANGZhuoqin,KONG Fandong,LIU Jian

(Xi′an Communication Institute,Xi′an,710106,China)

Abstract：One evaluation method about double hump phenomenon is introduced in this paper.Through curvilinear regre-ssion analysis in Id-Vg curve,the degree of double-hump is designated on a numerical scale.Logically,the correlation of implant′s ion concentration and double hump can be studied with this numerical scale.One modeling is setup to understand the correlation between Vt Implant,Punch-through implant and double hump phenomenon.This relation meets conventional parasitic transistor theory.

Keywords：double hump phenomenon;doping concentration;MOSFET;numerical evaluation

收稿日期：2008-09-08

金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)是由一個金氧半(MOS)二機體和兩個與其緊密鄰接的p-n接面(p-n junction)所組成。自從在1960年首次證明后，MOSFET快速的發展，并且成為微處理器與半導體記憶體(memory)等先進集成電路中最重要的元件［1］。隨著超大型集成電路(VLSI)的快速發展，淺溝槽隔離(STI)技術在MOSFET制成中得到了廣泛的應用。當MOSFET 的有效通道長度(L)和寬度(W)的尺寸越來越小時，一種MOS器件的失效模式：雙峰效應(double-hump)也越來越受到人們的重

視。

1 雙峰效應

圖1是典型的雙峰效應示意圖。在圖中虛線方框中，電流I璬在閥極電壓V璯很小的時候出現了一個峰值。在整個I璬-V璯曲線中出現兩個峰值，稱之為雙峰效應。它的表現是在次臨界區(sub-threshold)，MOS還沒有開啟時(V璯＜V璽)，晶體管出現了明顯的漏電(I-leakage)。這種漏電的提前出現，會直接導致晶體管的失效和產品的低良品率。

圖1 N型MOS的I璬-V璯曲線

圖1中,NMOS的W和L分別為10 μm和0.18μm;V璼ource=0；V璬rain=0.1 V；V璼ub=0,-0.45 V,-0.9 V,-1.35 V,-1.8 V；V璯從0升到1.8 V。

近幾年，人們對這種失效現象做了大量的研究［2-4］。人們普遍接受，晶體管的側壁寄生晶體管的預先開啟是漏電的根本原因。理論上講，由于粒子注入的有效摻雜濃度在晶體管的中心區域和側壁位置的不同，導致了側壁寄生晶體管的預先開啟。在MOS的基板加有反向電壓時，雙峰現象特別明顯。圖2中Trench recess和Corner out-doping這兩種現象可以被用來解釋為什么晶體管的側壁位置粒子注入的摻雜濃度會不同于晶體管中心位置(通道正下方)。由于Trench recess和Corner out-doping這兩種現象是不可避免的，所以人們嘗試了很多種方法去優化摻雜的有效濃度分布，以期降低和消除雙峰效應。

圖2 Trench recess和Corner out doping效應

本文將介紹一種雙峰效應的簡單評估方法，使雙峰效應的程度得以量化。并且通過對量化數字的評估，可以定性和定量地了解和確定最優化的摻雜濃度條件。

2 實驗條件

本文分別對N型MOS的V璽和Punch-through的粒子注入摻雜濃度進行了正交試驗。其中，V璽注入的濃度分別為：4.55×1012 cm-2;6.55×1012 cm-2和8.55×1012cm-2,注入能量為25 kev,雜質成分為硼(Boron)；Punch-through 注入的濃度分別為：4.0×1012 cm-2;7.13×1012 cm-2和1.0×1013cm-2,注入能量為170 kev,雜質成分為銦(Indium)；通過對不同注入條件的MOS器件的I璬-V璯曲線的測量和分析，以期能得到摻雜濃度分布和雙峰效應的關系。

3 雙峰效應的評估方法

圖3(a)是N型MOS器件的I璬-V璯測量曲線。MOS器件的W和L分別為10 μm和0.18 μm,測量條件為：

V璼ource=0；V璬rain=0.1 V；V璼ub=-1.8 V；V璯從0升到1.8 V；

圖中實線表示I璬的測量值，可以看到很明顯的雙峰現象。由于V璯很小的區間，測試電流值很小，而且不準確，所以取V璯在0.5~1.0 V這個區間作為雙峰效應的評估區間。圖3(b)中的虛線為理想的I璬-V璯曲線?？梢愿鶕﨧OS在(V璯比較高)線性區和飽和區的測量值，采用多項式近似曲線擬合法(Polynomial Regression Fitting)反向推導得出。

圖中實線測量值和虛線擬合值的陰影部分表明了MOS器件的漏電程度，用陰影面積來作為雙峰效應的量化評估值。

4 試驗分析

通過對各種實驗條件的I璬-V璯曲線的測量和雙峰效應的評估，以粒子注入的濃度變化作為變量，雙峰效應的量化值作為結果，建立了兩者變化關系的模型。圖4和圖5分別是模型的精確度評估圖和注入濃度對雙峰效應的變化模型圖。

圖3 NMOS的雙峰效應評估分析圖

圖4 模型精確度評估圖

從圖4可以看出模型的精確度(R璼quare)為0.97。這表明，粒子注入濃度和雙峰效應具有非常強的相關性。圖5顯示，雙峰效應對V璽的注入濃度非常敏感。隨著濃度的上升，雙峰效應越來越明顯。這個現象和現有的理論相吻合。由于V璽的注入能量為25 kev，有效摻雜濃度的峰值靠近MOS通道的表面。并且硼的吸出效應(out-doping)明顯，隨著粒子注入濃度的升高，通道正下方的有效摻雜濃度上升，但側壁位置的有效濃度變化不大，致使這兩個位置的濃度差異增加。同時，硼的有效濃度的增加，會導致通道正下方的閾值臨界電壓V璽的上升。這個變化會使得MOS通道下方開啟時間延遲，從而側壁寄生晶體管的預先開啟時間變長，進一步導致漏電量的增加。同理，采用的雙峰效應的量化評估值就會增加，雙峰效應明顯。與V璽注入相比，Punch-through 注入的濃度變化對雙峰效應的影響不明顯。這是因為銦元素的吸出效應不明顯，所以銦的有效濃度的變化對通道正下方和側壁位置的有效摻雜濃度的差異貢獻不大,從而雙峰效應對銦的濃度變化相對不敏感。

本文的模型可以用于定性和定量的分析，但是對于MOSFET來說，V璽的粒子注入條件也影響晶體管整體的電學特性。所以，在確定最優化的摻雜濃度條件時，要綜合考慮。

圖5 雙峰效應與V璽和Punch-through粒

子注入的有效濃度的相互關系模型

5 結 語

MOSFET的中心區域和側壁位置的有效摻雜粒子

濃度的均勻分布是解決雙峰效應的根本條件。不論這

兩個位置的有效摻雜濃度差異的形成原因，理論上都可以找到一個比較優化的工藝條件，使得有效摻雜濃度分布均勻，從而減少或消除雙峰效應的影響。通過對雙峰效應的量化評估，建立摻雜濃度和雙峰效應相互關系的模型，從定性和定量的角度進一步了解和確定優化條件。

參考文獻

［1］葉良修.半導體物理學（上）.2版.北京:高等教育出版社，2007.

［2］Chatterjee A.Symp.on VLSI Tech.,1996.

［3］Chen C.IEDM,Technical Digest,1996.

［4］Haneder T.Solid-State Device Research Conference,1997.Proceeding of the 27th Europea,1997:268-271

［5］方波，張元敏，崔衛群.實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究（上）.現代電子技術,2007,30(21):59-62.

［6］張元敏，方波，桑子亮.實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究（下）.現代電子技術,2008,31(5):145-148.

作者簡介

陸玉娥 女，1951年出生，江蘇無錫市人，副教授。主要從事網絡分析綜合、電子技術教學研究。

蔣卓勤 男，1962年出生，浙江人、教授。主要從事數字電路分析，電子技術教學與研究。

孔凡東 男，1956年出生，河北徐水人，副教授。主要從事電路分析、電子技術教學與研究。

劉 劍 男，1976年出生，陜西西安人， 工程師。主要從事半導體電子技術研究。