栅控界面产生电流在纳米CMOS器件中的作用机理及可靠性研究

The gate-modulated generation (GMG) current has been one of the serious obstacles to the CMOS device power consumption and reliability. As the device process approaches the nanometer scope, the physical mechanisms and related reliability issues of GMG current became more complex. So studying this field is very meaningful. This project focuses on this important study point in nanoscale-CMOS devices on the basic of the new pulse characterization method. The cause of formation of interface traps, mechanism and state of their energy distribution in GMG current are studied and the precise GMG current model coupling the quantum tunnelling effect is made. The mechanism of trap modulating GMG current using the high/low frequency pulse method is also studied and the related modulation techniques are obtained. Further, the effect of the stress-induced interface traps on the GMG current is explored. Finally, the system of characterizing the nano-CMOS device's damage is set up based on the GMG current. The project should provide the theoretical and practical basis for the reliability problem related with GMG current in the nano scale device, and it is also helpful to the development of that promising gated-diode device candidates for ultralow power application.

栅控界面产生(GMG)电流已经成为影响CMOS器件静态功耗、多栅及功率器件可靠性、CMOS传感器特性、器件损伤探测等方面的主要原因之一。随着器件工艺进入到纳米尺度，GMG电流机理以及相关可靠性问题变得愈加复杂，因此该领域的研究也就极有价值。本项目提出一种新的脉冲频率表征方法研究了栅控界面产生(GMG)电流在纳米CMOS器件中的作用机理及可靠性这一关键问题：研究纳米CMOS器件GMG电流中的陷阱成因、作用机制、能量状态分布以及建立精确的耦合量子隧穿效应的GMG电流模型；研究高/低频脉冲电压调制GMG电流的陷阱作用机理并获得调制技术；进一步研究电应力造成的新增陷阱对GMG电流的影响机制，获得基于GMG电流中的陷阱效应的纳米CMOS器件损伤表征技术。本项目将为纳米器件的GMG电流可靠性研究提供理论和实践基础，同时也有利于未来一些极具应用前景的新型栅控PN结超低功耗器件的发展。

栅控界面产生GMG电流已经成为影响CMOS器件静态功耗、多栅和功率器件可靠性和CMOS传感器特性的主要原因之一。当集成电路工艺进入到纳米尺度，关于GMG电流机制及相关可靠性问题变得越来越复杂。因此，研究GMG电流具有非常重要的意义。.本项目重点研究了纳米CMOS器件的GMG电流机制及相关可靠性问题。研究的主要内容分为三部分：研究纳米CMOS器件GMG电流中的陷阱成因、作用机制、能量状态分布以及建立精确的耦合量子隧穿效应的GMG电流模型；研究脉冲电压调制GMG电流的陷阱作用机理并获得调制技术；研究电应力造成的损伤对GMG电流的影响机制及新的损伤表征技术。研究过程中，取得以下重要成果：.1）获得了GMG电流随VG变化的物理机制，建立的模型是严格基于产生复合理论建立起来理论模型，为了与实际器件曲线匹配，该模型中仅仅引入了m和t两个调节因子。这两个因子将复杂的器件的物理结构等因素包含其中，因此它们的引入使得模型针对不同工艺/尺寸下的器件具有很好的适用性。.2）获得了漏压VD控制下的GMG电流的物理机制，发现了漏栅交叠区电压VDG对沟道漏端附近的硅界面处表面势φs变小导致了GMG电流曲线下降。建立了相应的漏控产生电流理论模型：IDMG与负的VDG成指数性衰减关系。进一步，提取了实验模型的关键参数t1，发现t1=80mV=3kT/q。该机制拓展了仅仅通过栅电压来控制GMG电流的方式，VD可以控制GMG电流将使得该技术应用于极低功耗电路中变得具有潜在的可行性。.3）首次提出了GMG电流曲线在栅和漏电压的脉冲变化组合下与悬浮的源端作用的耦合物理机制，该机制的核心为悬浮的源端导致了源漏区电子的准费米能级之差△EFN变化。发现了△EFN与曲线面积Ω成线性关系，其变化斜率为0.19p/eV。Ω的引入揭示了两种情形下陷阱引发产生复合电流与悬浮的源区之间的耦合传输机制，这一结果为调制以及控制pA级电流提供了一种潜在的方法，该结果将有助于未来极低功耗器件的开发。.4）基于GMG电流曲线面积与GMG电流传输电荷之间相互关系，获得了基于使用曲线面积S来评价应力对器件的损伤。S的变化量△S与应力时间在双对数坐标下成线性关系：△S ∝ta，a=0.6。新的表征方法具有陷阱浓度不会影响曲线面积的这一特性，可非常方便的分离出陷落电荷的影响来。