氮化钛厚度均匀性对n型鳍式场效应晶体管可靠性的影响研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Impact of TiN Thickness Uniformity on the Reliability of n-FinFETs

本刊推荐：为探究栅极金属均匀性对器件可靠性的影响，研究人员开展了TiN厚度均匀性对n-FinFET可靠性影响的研究。通过对比PVD与ALD工艺制备的TiN栅极器件，发现非均匀TiN会导致局域电场增强，加速界面态和氧化层陷阱生成，使BTI和HCD退化分别增加11%和24%。该研究揭示了栅极工艺均匀性对器件可靠性的关键作用。

　　

随着半导体工艺尺寸的不断微缩，鳍式场效应晶体管（FinFET）已成为维持摩尔定律发展的关键器件结构。然而，器件可靠性问题日益凸显，特别是偏压温度不稳定性（BTI）和热载流子退化（HCD）等退化机制严重制约着器件寿命。在FinFET的复杂三维结构中，栅极材料的均匀性沉积面临着巨大挑战。氮化钛（TiN）作为主流的功函数调节金属，其厚度均匀性对器件性能有着重要影响，但这一因素对可靠性的具体作用机制尚不明确。

针对这一科学问题，由孙明阳领衔的研究团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上发表了最新研究成果。研究人员通过系统比较物理气相沉积（PVD）和原子层沉积（ALD）两种工艺制备的TiN栅极n型FinFET，揭示了厚度均匀性对器件可靠性的深远影响。

研究团队采用多项关键技术方法开展实验：通过完整的后道栅极替换工艺制备n型FinFET器件；利用透射电子显微镜表征TiN层的厚度分布；采用电容-电压测试和栅极漏电流测试评估介质层完整性；通过直流电流-电压技术分离界面陷阱和氧化层陷阱；运用基于放电的多脉冲测量技术分析陷阱能级分布；结合TCAD仿真模拟局域电场分布。

电气特性分析

研究首先对比了两种器件的电气性能。虽然ALD-TiN（基准器件）和PVD-TiN（非均匀器件）制备的FinFET阈值电压仅相差24mV，但非均匀器件表现出显著不同的特性。MOS电容测试显示，非均匀器件的平带电压比基准器件低190mV，对应0.19eV的功函数差异。更重要的是，非均匀器件的栅极漏电流增加了近一个数量级，表明TiN厚度均匀性对介质层完整性具有重要影响。

可靠性表征

在可靠性测试中，非均匀器件表现出明显的劣势。经过1000秒的BTI应力后，非均匀器件的阈值电压漂移比基准器件高11%。更为严重的是，在HCD应力条件下，这一差异扩大到24%。电压加速指数分析进一步表明，非均匀器件在实际工作电压下的可靠性更差。

退化机制分析

通过直流电流-电压技术分析发现，非均匀器件在BTI应力后界面陷阱生成量增加8%，而在HCD应力后这一数值高达46%。界面退化占总退化的比例在非均匀器件中也有所增加，特别是在HCD条件下从19%升至23%。基于放电的多脉冲测量技术进一步揭示，非均匀器件在价带附近的陷阱峰值密度比基准器件高18%（BTI）和28%（HCD），表明氧化层陷阱生成更为显著。

TCAD仿真验证

为探究可靠性差异的物理根源，研究团队进行了TCAD仿真。模拟结果显示，非均匀TiN厚度导致的功函数空间变化在鳍片顶部产生强烈的局域电场增强。

该研究通过系统的实验表征和仿真分析，明确了TiN厚度均匀性对n型FinFET可靠性的关键影响。非均匀的TiN沉积会引发功函数空间变化，导致局域电场增强，进而加速界面态和氧化层陷阱的生成。这一机制在HCD应力条件下表现得尤为明显。研究结果强调了在先进半导体工艺中控制栅极金属均匀性的重要性，为优化器件可靠性提供了理论依据和工艺指导。对于追求高性能、高可靠性的FinFET器件而言，采用ALD等能够实现均匀沉积的工艺技术显得至关重要。