利用單電荷現象研究高介電係數CMOS之加溫加壓回復效應與缺陷特性

Abstract

本論文主要研究高介電係數CMOS在高溫偏壓操作(BTI)後，元件特性回復之現象。我們發展出一快速暫態的量測系統，可取得一般量測下因為施壓(stress)和回復(recovery)狀態切換太慢而忽略的資料。在小面積元件的高溫正偏壓(PBTI)實驗中，汲極電流呈現不連續的階梯變化，單一電子自陷阱釋放可明顯地量測出來。藉著描述與電場及溫度有關的單一電子發射時間，一個與穿隧效應有關的有效分析模型被提出。此高介電閘極元件之陷阱密度及陷阱活化能亦被取出。 此外，此技術亦可應用於高介電及二氣化矽之p型金氧半電晶體的實驗，在此兩種元件的高溫負偏壓(NBTI)實驗中，可量測到單一電洞射出，而其相關物理機制被證實與被補捉的電子釋放機制相似。最後，我們比較不同種類的元件與不同載子(電子在高介電n型電晶體及電洞在高介電與二氧化矽p型電晶體)之相關特性，例如回復電場，溫度(活化能)，還有閘極長度效應等。