LWR驱动的热载流子退化引起的CMOS器件性能变化：机制与缓解方法

《Microelectronic Engineering》：LWR-driven hot carrier degradation-induced variability in CMOS devices: mechanisms and mitigation

　　王耀亭|吴永宇|高德伟|徐凯|王海|王泽楠|徐凯 中国浙江省杭州市浙江大学集成电路学院，邮编311200 摘要 线宽粗糙度（LWR）和热载流子退化（HCD）对纳米级互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的进步构成了重大挑战。栅极有效区域线宽粗糙度与HCD引起的特性变化之间的关联至今仍未得到充分研究。本研究探讨了CMOS器件中由线宽粗糙度引发的HCD特性变化。实验结果表明，将有效区域线宽粗糙度降低1.81纳米、栅极线宽粗糙度降低1.16纳米，可使热载流子退化带来的特性变化分别减少18.6%和34.7%。此外，通过电学特性测试与仿真分析相结合，研究发现栅极线宽粗糙度会导致通道内的掺杂和电场分布不均匀，从而提升局部载流子温度和界面陷阱密度；而有效区域线宽粗糙度则会改变通道边界附近的空间电荷区势垒，增强通道边缘的局部电场强度和载流子浓度。进一步降低有效区域和栅极的线宽粗糙度，可以抑制结线处的势垒波动，进而减少HCD引起的电流启动电压变化。本研究表明，优化有效区域和栅极的线宽粗糙度对于提升纳米级MOSFET及集成电路的可靠性与性能稳定性至关重要。引言 在纳米级晶体管和电路技术中，线宽粗糙度（LWR）和线边粗糙度（LER）已成为导致特性变化的主要因素[1][2][3]。尤其是它们引起的阈值电压（VT）和漏极电流（ID）的波动，给器件的持续缩小和高度集成带来了严峻挑战[1][4]。线边粗糙度特指图案边缘的不规则波动，这会直接导致特征尺寸的随机变化；而线宽粗糙度通常以线宽标准差的3倍作为空间域上的表征参数。当线条的两侧边缘之间不存在相关性时，线宽粗糙度与线边粗糙度的关系为LWR=2LER[5][6]。随着通道尺寸的不断缩小，线宽粗糙度/线边粗糙度的影响愈发显著，不仅会导致阈值电压的变化幅度大幅增加[7]，还会使器件的电学特性出现较大程度的随机性[7]。与此同时，热载流子退化也是纳米级器件面临的另一项重要可靠性问题[8][9][10]。由于载流子在通道内会随机被捕获又释放，热载流子退化会进一步加剧器件[9][10]以及电路性能[11][12][13]的不确定性。实验研究已证实，热载流子退化不仅会直接影响器件电学特性的变化程度，还会显著受到这些特性初始统计分布参数的影响[14][15]。尽管现有研究大多聚焦于特性变化的物理成因，但很少有研究探讨制造工艺如何影响热载流子退化带来的特性变化，以及有效区域/栅极线边粗糙度与热载流子退化特性变化之间的关联。为填补这一研究空白，我们系统研究了55纳米CMOS技术中有效区域/栅极线宽粗糙度与热载流子退化特性变化之间的关系。研究采用了硬掩膜工艺来有选择地调节有效区域和栅极层的线宽粗糙度。共设计了三组晶圆用于对比：一组为未使用硬掩膜的基准晶圆，一组仅在有效区域应用硬掩膜，另一组仅在栅极区域应用硬掩膜。通过结合电学特性测试与技术计算机辅助设计仿真，本研究阐明了其中的机制，并量化了降低线宽粗糙度对热载流子退化引起的特性变化的影响。设备与特性测试 硬掩膜技术利用坚固的无机材料或有机-无机复合材料，将光刻定义的图案转移到基底上，该技术可与EUV光刻、定向自组装和纳米压印光刻等先进图案化技术相兼容[16]。常见的硬掩膜材料包括氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO?）和氮化钛（TiN）。本研究中采用氧化硅作为掩膜材料。所有样品均采用相同工艺制备。器件特性变化分析 图3(a)展示了未使用硬掩膜制造的n型MOSFET在未受热载流子退化影响前后的典型ID?VG特性曲线，反映了整个晶圆上不同器件之间的特性差异。图3(b)和(c)则分别以栅极电压为横坐标，绘制了相对ID退化程度（定义为IDt?ID0/ID0）的变化情况。这些图表还显示了在有效区域应用硬掩膜（图3b）和栅极应用硬掩膜（图3c）条件下，漏极热载流子电流的标准误差范围，并与基准条件进行了对比。结论 本研究系统分析了55纳米CMOS技术中有效区域/栅极线宽粗糙度与热载流子退化特性变化之间的关联。通过采用硬掩膜工艺，有效区域线宽粗糙度和栅极线宽粗糙度分别降低了1.81纳米和1.16纳米，这使得热载流子退化引起的阈值电压变化分别减少了18.6%和34.7%。实验结果证实，热载流子退化引起的阈值电压变化会随应力作用时间的延长而加剧，而线宽粗糙度较低的器件则表现出更低的特性变化幅度。利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢 本研究部分得到了浙江省重点研发计划项目（项目编号2024C01002）的支持，同时也获得了国家自然科学基金项目（项目编号62204217）的资助。（通讯作者：高德伟；徐凯）