Nb-Ti

第26卷　第9期2005年9月半　导　体　学　报CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORSVol.26　No.9Sep.,20053国家自然科学基金(批准号:60206006),教育部重点科技研究(批准号:104172),国防重大预研基金(批准号:41308060305)和博士后基金(批准号:Q6312573)资助项目　刘红侠　女,1968年出生,博士,教授,博士生导师,主要从事深亚微米器件和电路可靠性研究.Email :hxliu @ 郝　跃　男,1958年出生,博士,教授,博士生导师,主要从事深亚微米器件和电路建模及表征技术研究.　2005201225收到,2005203215定稿ν2005中国电子学会深亚微米pMOS 器件的HCI 和NBTI 耦合效应与物理机制3刘红侠　郝　跃(西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安　710071)摘要:研究了深亚微米pMOS 器件的热载流子注入(hot 2carrier injection ,HCI )和负偏压温度不稳定效应(negativebias temperature instability ,NB TI )的耦合效应和物理机制.器件在室温下的损伤特性由HCI 效应来控制.高温条件下,器件受到HCI 和NB TI 效应的共同作用,二者的混合效应表现为NB TI 不断增强的HCI 效应.在HCI 条件下器件的阈值电压漂移依赖沟道长度,而NB TI 效应中器件的阈值电压漂移与沟道长度无关,给出了分解HCI 和NB TI 耦合效应的方法.关键词:深亚微米pMOS 器件;热载流子注入;负偏压温度不稳定性;界面态;氧化层固定正电荷PACC :7340Q ;7300;7220J中图分类号:TN38613 文献标识码:A 文章编号:025324177(2005)09218132051　引言MOS 器件中的热载流子注入(hot 2carrier in 2jection ,HCI )和负偏压温度不稳定效应(negative bias temperat ure instability ,NB TI )是影响器件可靠性的重要因素.对于目前采用特征尺寸在0125μm 以下工艺的MOSFET ,其HCI 和NB TI 可靠性分析成为高性能设计和高可靠性应用中的重要环节[1～4].MOS 器件中的HCI 效应源于器件特征尺寸的不断缩小和沟道中横向和纵向电场的增加[5,6].在深亚微米尺度下,HCI 效应主要反映在沟道热载流子(channel hot 2carrier ,C HC )效应.NB TI 效应是由于在高温下对pMOSFET 栅极加大的负栅压偏置(源极、漏极和衬底接地)所造成的器件退化,表现为阈值电压漂移不断增大,亚阈值斜率不断减小等器件参数的变化[7～10].对于NB TI 和HCI 这两种单独的效应已有大量研究,但是关于HCI 和NB TI 耦合效应对器件特性的影响则研究甚少.在实际的工作器件中,这两种效应同时存在并相互影响.如何理解在HCI 和NB 2TI 效应共同作用下,深亚微米p MOS 器件的退化以及这两种效应之间的相互作用机制,以便定量确定HCI 效应和NB TI 效应各自的贡献.本文主要研究了高温沟道热载流子模式下,HCI 和NB TI 的共同作用对器件阈值电压和跨导漂移的影响,提出了NB TI 效应不断增强的HCI 耦合效应机制和分解这两种效应的方法.2　深亚微米pMOS 器件的HCI 和NBTI 耦合机制 实验器件采用0125μm CMOS 工艺技术制备的p MOSFET ’s ,器件的沟道长度L 为0125μm ,沟道宽度W 为5μm ,栅氧化层厚度T ox 为5nm.对HCI 效应,在栅和漏都施加应力,对NB TI 效应,高温下只在栅极施加应力.在单独NB TI 应力条件下,器件中只存在NB 2半　导　体　学　报第26卷TI 效应.在高温C HC 应力条件下,器件中会同时存在HCI 效应和NB TI 效应.为进一步比较HCI 和NB TI 对于p MOSFET 特性的影响,在栅电极施加相同的应力电压V G =-315V ,改变漏电极所加的电压,即V D 分别等于0,-1175和-315V ,源电极和衬底接地,即保持V S =V SUB =0V ,应力时间t =23000s ,器件所处的工作温度为T =150℃.图1给出了pMOSFET 在只有NB TI 应力条件下和HCI 与NB TI 应力同时存在条件下,器件阈值电压的特性退化比较图.对于图中所给出的三种应力条件,栅上所施加的电压保持不变(V G =-315V ).其中,实心方块和空心方块分别代表较高漏电压和中等漏电压情况下,即NB TI 和HCI 混合效应对于p MOS 2FET 的阈值电压退化的影响;实心三角形对应漏电压为零时,即只存在NB TI 应力条件下,p PMOS 2FET 的阈值电压退化.作为对比,图1还给出了在施加两种不同高漏压情况下,pMOSFET 阈值电压退化特性的对比(V G =V D =-315V 和V G =V D =-2175V ).图1　不同的栅和漏偏置条件下,阈值电压退化与应力时间的关系Fig.1　Threshold voltage shift as a f unction of stress time for different gate bias and drain bias在所施加的几种应力条件下,器件的阈值电压都向负栅压的方向漂移(图1所示为器件阈值电压漂移的绝对值),亚阈特性退化.应力前,亚阈斜率值大约为70mV/decade ,应力后当V G =-315V ,V D 分别为0,-1175,-315V 时,亚阈斜率值增加到76,78和81mV/decade.这表明器件参数的退化是由于应力间产生的界面陷阱和氧化层固定正电荷所造成的.其中,在V G =V D =-315V 的高温HCI 和NB TI 应力条件下的阈值电压漂移都大于在V G =-315V ,V D =-1175V 的应力条件下的阈值电压漂移,而这两种情况下的阈值电压漂移又大于V G =-315V ,V D =0的NB TI 条件下的阈值电压漂移.图1的数据表明当栅上所施加的电压保持不变时,漏端所加的电压越高,器件的阈值电压退化越严重.这说明在热载流子应力条件下,有大量的陷阱产生;同时也说明V G =V D 是阈值电压退化最严重的应力条件,在这种应力条件下,HCI 和NB TI 都对阈值电压的退化产生影响.而当V G =-315V ,V D =0时,只有NB TI 效应影响器件阈值电压的退化.结合V G =V D =-2175V 时的高温沟道热载流子应力条件下的阈值电压漂移,可以充分地说明HCI 和NB TI 的共同作用大于NB TI 效应单独作用的效果,所以在V G =V D =-315V 的高温CHC 应力条件下器件特性的退化是这两种效应的综合体现.为了更进一步研究HCI 和NB TI 引起p MOS 2FET 特性退化的本质,在负偏置应力结束后,对器件施加反方向的正偏置应力进行后应力退火处理.具体施加的退火条件为:栅电压V G =315V ,退火时间t =7000s.图2给出施加应力后,pMOSFET 阈值电压的恢复与退火时间之间的关系.从图中可以明显地看出,在V G =V D =-315V 和V G =-315V ,V D =0这两种应力条件下,pMOSFET 的阈值电压恢复值最大,ΔV TH =4mV.但是比较阈值电压恢复的百分比可知,在单独的NB TI 应力作用下,经过退火后,p MOSFET 的阈值电压恢复得最多,大约为33%;在高漏压应力条件下,阈值电压的恢复百分比为17%;在中等漏压应力条件下,阈值电压的恢复百分比最小,大约为14%.图2　不同的栅和漏偏置条件下,阈值电压的恢复与退火时间的关系Fig.2　Threshold voltage restore as a f unction of an 2nealing time for different gate bias and drain bias4181第9期刘红侠等:　深亚微米pMOS 器件的HCI 和NB TI 耦合效应与物理机制从上述实验结果可知,尽管在单独的NB TI 应力作用下,p MOSFET 的阈值电压退化最小,但是在同样的应力条件下退火后,NB TI 应力作用后,器件的阈值电压却得到最大限度的恢复.可见,尽管在高温沟道热载流子应力条件下产生了更多的陷阱,但是在NB TI 应力条件下的阈值电压恢复得更多,表明在NB TI 条件下有更多的陷阱解陷.这充分说明在高温沟道热载流子应力下产生的大多数陷阱是不可退火的界面陷阱,在NB TI 效应下产生的多为氧化层固定正电荷,而氧化层固定正电荷可以被部分退火消除.3　NBTI 和HCI 效应对器件退化影响的分解 在高温沟道热载流子应力条件下,器件的退化是由HCI 和NB TI 效应共同作用的.如何评价这两种机制共同作用下的器件损伤和它们各自的作用?本文提出了一种同时考虑这两种机制的模型和分解NB TI 和HCI 的方法.图3和图4给出了在高栅压条件下(V G =V D =-315V ),沟道长度为0125μm 的pMOSFET 中阈值电压和跨导漂移与温度的依赖关系.当温度在80℃附近时,器件的阈值电压漂移达到最小,当温度大于80℃后阈值电压漂移不断增加.但是在跨导的图3　阈值电压漂移和温度之间的关系Fig.3　Threshold voltage shift as a f unction of temper 2ature漂移和温度的关系曲线中却没有出现最小值,而且跨导漂移的绝对值随着温度的升高而减小,这和以前参考文献所报道的跨导漂移随着温度的增加而减小的关系是完全一致的.跨导漂移和温度的关系表明这个器件参数主要敏感于在应力期间由热空穴注入引起的施主型界面陷阱.而器件的阈值电压漂移主要受到氧化层电荷的影响,它与温度的关系表明不仅只有HCI 起作用,还要归功于附加的NB TI 效应形成的正电荷的影响.当温度在80℃以下时,阈值电压的损伤是由HCI 机制引起的;当温度处于80℃到150℃之间时,NB TI 效应引起了阈值电压附加增加的漂移.图4　跨导漂移和温度之间的关系Fig.4　Maximum transconductance shift as a f unction of temperature图5给出了在室温条件下(V D =-315V ),沟道长度为0125μm 的p MOSFET 中跨导漂移和衬底电流与栅压的依赖关系.从图5中可以看出,室温下跨导漂移的极值发生在与初始最大衬底电流同样的栅电压下,最大衬底电流对应最严重的HCI 条件,这表明器件跨导的漂移是由HCI 损伤引起的.图5　不同栅压下的跨导漂移和衬底电流Fig.5　Maximum transconductance shift and substrate current for different gate voltages5181半　导　体　学　报第26卷图6给出了在同样条件下,器件阈值电压的漂移和衬底电流与栅压的依赖关系.从图6可以看出,室温下器件阈值电压的漂移随着栅电压的增加而增加,这是由于在高栅压应力条件下,栅的边界会有更多的空穴从垂直电场中获得能量,处于热激活状态.这些热激活的空穴能够打断氢终端的悬挂键,产生氧化层陷阱和氧化层固定正电荷,使阈值电压的退化增强.与应力下器件跨导的退化特性相比较而言,在应力下阈值电压的退化与衬底电流之间却不遵循任何关系,这表明对于器件阈值电压的退化和跨导的退化是由完全不同的两种机制所控制的.HCI 和NB TI 这两种机制对器件退化的共同作用使得预测p MOSFET 寿命的模型更加复杂.图6　不同栅压下的阈值电压漂移和衬底电流Fig.6　Threshold voltage shift and substrate current for different gate voltages对于W /L =5μm/0125μm ,栅氧化层厚度T ox =5nm 的实验样品在同样温度下分别施加NB TI 和高栅压C HC 应力,器件的阈值电压漂移见图7.从图中可以看出,由NB TI 应力引起的漂移与沟道长度无关,并且与在相同条件高栅电压应力下长沟器件的测量值相同.这表明高温条件下,在V G =V D 应力期间,退化中的NB TI 成分与单独NB TI 条件下的相同.在这些偏置条件下,p MOSFET 退化过程中固定正电荷的形成是NB TI 和C HC 分别独立作用结果的总和.通过将相同应力下长沟器件的漂移值从短沟器件的漂移值中减去,可以把退化期间C HC 应力对固定正电荷的贡献分解出来.4　结论研究了深亚微米pMOSFET 的HCI 和NBTI图7　在CHC 和NB TI 应力下,阈值电压漂移和沟道长度的关系Fig.7　Threshold voltage shift as a f unction of channel length under CHC and NB TI stress效应.结果表明,低温下器件的参数漂移很明显由HCI 效应来控制,在高温C HC 应力条件下,器件受到HCI 效应和NB TI 效应的共同作用,二者的混合效应表现为NB TI 不断增强的HCI 效应.器件的跨导漂移主要是由热空穴注入引起的界面态所引起的,而阈值电压则对氧化层中的净正电荷的形成很敏感.由于NB TI 效应对阈值电压的影响与沟道长度无关,通过测量相同条件下长沟道器件在沟道热载流子应力下阈值电压的漂移值就可以将短沟道器件在同样应力条件下NB TI 的漂移值分离出来,由此可以分解出这两种效应各自对器件参数漂移的影响.参考文献[1]　Yamamoto T ,Uwasawa K ,Mogami T.Bias temperature in 2stability in scaled p +polysilicon gate p 2MOSFET ’s.IEEE Trans Electron Devices ,1999,46:921[2]　Blat C E ,Nicollian E H ,Poindexter E H.Mechanism of nega 2tive 2bias 2temperature instability.J Appl Phys ,1991,69(3):1712[3]　Chaparala P ,Shibley J ,Lim P.Threshold voltage drift inPMOSFETs due to NB TI and HCI.IEEE International Inte 2grated Reliability Workshop Final Report ,2000:95[4]　Fishbein B ,Doyle B ,Conran C.Thermal instability in p 2chan 2nel transistors wit h reoxidized nitrided oxide gate dielectrics.IEEE Trans Electron Devices ,1992,39(11):2672[5]　Thompson S ,Packan P ,Bohr M.MOS scaling :transistorschallenges for 21st century.Intel Technology Journal ,1998,2(3):21[6]　Haggag A ,McMahon W ,Hess K ,et al.High 2performance6181第9期刘红侠等:　深亚微米pMOS器件的HCI和NB TI耦合效应与物理机制chip reliability from short2time2test s2statistical models for op2tical interconnect and HCI/TDDB/NB TI deep2submicrontransistor failures.IEEE International Reliability PhysicsSymposium2001:271[7]　Hook T B,Adler E,Guarin F,et al.The effect s of fluorine onparametrics and reliability in a01182μm315/618nm dual gateoxide CMOS technology.IEEE Trans Electron Devices,2001,48(7):1346[8]　Morifuji E,Kumamori T,Muta M,et al.New considerationsfor highly reliable PMOSFETs in100nm generation and be2yond.VL SI Technology,2001:117[9]　Ichinose K,Saito T,Yanagida Y,et al.A high performance0112μm CMOS wit h manufacturable0118μm technology.VL SI Technology,2001:103[10]　Han Xiaoliang,Hao Yue,Liu Hongxia.NB TI effect s of p+gate pMOSFET and influence of nit rogen on NB TI effect s.Chinese Journal of Semiconductors,2005,26(1):84(in Chi2nese)[韩晓亮,郝跃,刘红侠.深亚微米p+栅pMOSFET中NB TI效应及氮在其中的作用.半导体学报,2005,26(1):84]Couple E ffects and Physical Mechanism of HCI and NBTIin Deep Submicron pMOSFET’s3Liu Hongxia and Hao Yue(Key L aboratory of Mi nist ry of Education f or W i de B and2Gap S emiconductor M aterials and Devices,School of Microelect ronics,X i dian Universit y,X i’an　710071,China)Abstract:The couple effects and physical mechanism of HCI(hot2carrier injection)and NB TI(negative bias temperature insta2 bility)in deep submicron pMOSFET’s are investigated.At room temperature the HCI contribution to the device damage is con2 firmed.However,at high temperatures the degradation is controlled by the cooperation of HCI and NB TI mechanism.NB TI channel hot2carrier enhancement is really observed.The threshold voltage shift depends on channel length under HCI stress, whereas the threshold voltage shift is not dependent on channel length for NB TI.A method to decouple the HCI and NB TI is presented.K ey w ords:deep submicron pMOSFET’s;HCI;NB TI;interface states;positive fixed oxide chargesPACC:7340Q;7300;7220JArticle ID:025324177(2005)09218132053Project supported by t he National Natural Science Foundation of China(No.60206006),t he Key Project of Chinese Minist ry of Education(No.104172),t he National Defense Pre2research(No.41308060305),and t he Postdoctoral Foundation of China(No.Q6312573)　Liu Hongxia　female,was born in1968,PhD,professor,adviser of PhD candidates.She mainly focuses on reliability of deep submicron devices and circuit s.Email:hyliu@　Hao Yue　male,was born in1958,PhD,professor,adviser of PhD candidates.His research interest s are modeling and characterization of deep submicron devices and circuit s.　Received25J anuary2005,revised manuscript received15March2005ν2005Chinese Institute of Electronics7181。

可靠性：PMOS 薄栅氧PMOS器件的HCI效应和NBTI效应《半导体制造》2006年10月刊作者：Joyce Zhou、Jeff Wu、Jack Chen、Wei-Ting Kary Chien, 中芯国际随着CMOS晶体管尺寸的不断微缩，人们越来越关注PMOS HCI(热载流子注入)可靠性问题。

本文对薄栅氧PMOS 晶体管的可靠性进行了准确的表征，并且深入研究了其衰减机制。

此外，我们还对引起PMOS器件衰减的NBTI(负偏压温度不稳定性)效应进行了解释说明。

对PMOS而言，最坏的衰减条件与Vg大小非常相关。

为此，我们提出一种方法以证明PMOS衰减是在较大Vg条件下由HCI效应导致的漏极缺陷引起的，它与NBTI效应完全不同。

此外，我们还分别解释了HCI 和NBTI效应的机理。

最后，我们研究了HCI和NBTI的综合效应。

在HCI和NBTI的综合作用下，超薄栅氧PMOS器件参数的衰减程度比单独的HCI或NBTI效应要严重得多。

为了找到薄栅氧PMOS器件HCI效应的最坏条件，实验中我们对1.2V和1.5V短沟道PMOS 器件进行了测试。

我们提出了一种在较高栅电场下区分HCI效应和NBTI效应的方法。

此外，我们还对这两种效应(即HCI和NBTI)导致的器件参数偏移之间的相关性进行了研究，并且探讨了HCI-NBTI 综合效应对薄栅氧PMOS 器件可靠性的严重影响。

下一节我们将介绍HCI的最坏条件。

为了检测HCI效应引起的漏极损伤问题，我们在下一节中引入了“偏移”参数(Offset)。

然后，我们对非均匀NBTI效应进行了描述。

薄栅氧PMOS 器件HCI效应的最坏条件正如JEDEC-60提到的那样，在施加大小为Vg的栅偏压条件下，p沟道器件的参数变化程度最大，此时栅电流也处于最大值(Ig)[1]。

早期，大多数研究集中于HCI偏压条件下PMOS的电子陷阱效应[2]。

氧化层中很少会出现空穴陷阱，原因有几个，例如空穴注入的界面势垒较高、热空穴具有比热电子小得多的散射平均自由程等。

NbTi超导体的特性NbTi超导体的特性张长安（陕理⼯物理系物理学081班，陕西汉中72600）指导⽼师：任亚杰【摘要】：本⽂从NbTi的微观结构，加⼯⼯艺，电流密度随温度与临界磁场的变化，与NbTi的扩散介绍了NbTi 基本特性。

在介绍加⼯⼯艺时采⽤了Nb/Ti复合法阐述了Nb／Ti的加⼯过程；在研究中，NiTi的内部结构⾮常重要，了解NbTi的微观结构有助于我们从理论上更好的去认识NiBi的特性，本⽂从NbTi亚带组织与a相变细节介绍了NbTi的微观内部结构。

【关键词】：NbTi，NbTi的加⼯⼯艺，超导体的电流密度，微观结构，扩散引⾔尽管⾼温超导材料的发现已近⼆⼗多年!但⽬前由于还存在成材困.难磁场下性能较低及制造成本⾼等缺陷!在未来相当长的⼀段时间内!铌钛合⾦等低温超导材料仍将在强电应⽤领域占据主导地位.nbti超导材料由于具有良好的超导性能,优异的机械性能和低廉的制造成本!是⽬前应⽤范围最⼴的低温超导材料!其主要应⽤于⾼科技仪器如核磁共振成像仪和⼤型⾼科技⼯程项⽬如国际热核聚变反应实验堆,其⽤量占整个超导市场的90%以上.由于顺磁极限降低了NbTi超导体的上临界场，所以很难提⾼NbTi超导线材在⾼磁场中的临界电流密度。

为了提⾼NbTi超导体的临界电流密度!扩展其应⽤范围!⽬前⼈们采⽤了多次时效热处理⼯艺和(⼈⼯钉扎)等技术!并取得了显著的进展(NbTi合⾦具有良好的机械加⼯性能和超导性能，成为使⽤最⼴泛的超导材料。

).随着应⽤范围的扩⼤!进⼀步简化其⽣产⼯序,降低制造成本⼀直⼈们不断追求的⽬标20世纪90年代后期!出现了多种⽤Nb/Ti组配成复合体并经扩散反应形成NbTi超导体的新⼯艺⽽且取得了⼀定的进展!成为当前NbTi超导体研究的⼀个新热点.本⽂从 NbTi 的微观结构，加⼯⼯艺，临界电流密度，Nb/Ti的扩展⼏⽅⾯介绍了NbTi的基本特性。

1. NbTi超导线材的微观结构典型的显微组织为有旺相的位错胞结构，这种结构由沿着拉伸⽅向的丝状亚晶和群集在亚晶周围的⾼密度位错形成的管状胞壁组成。

ono介质形成方法对nbti效应（实用版3篇）目录（篇1）1.引言2.o 诺介质形成方法介绍3.NBTI 效应概述4.o 诺介质形成方法对 NBTI 效应的影响5.结论正文（篇1）【引言】随着科学技术的快速发展，对于新型材料的研究越来越深入。

其中，o 诺介质作为一种具有优异磁性能的材料，在磁性材料领域引起了广泛关注。

NBTI 效应是指氮、硼、钛三种元素对磁性能的影响，是研究磁性材料的重要指标。

本文将探讨 o 诺介质形成方法对 NBTI 效应的影响。

【o 诺介质形成方法介绍】o 诺介质，又称为 o 诺层状结构，是由 o 族元素和过渡金属元素组成的一种磁性材料。

其独特的晶体结构使其具有优异的磁性能。

目前，制备 o 诺介质的方法主要有以下几种：磁控溅射法、分子束外延法、化学气相沉积法等。

【NBTI 效应概述】BTI 效应是指氮、硼、钛三种元素对磁性能的影响，是研究磁性材料的重要指标。

氮元素可以提高磁晶各向异性，硼元素可以提高矫顽力，而钛元素则可以改善磁性能的温度稳定性。

通过调整这三种元素的比例，可以优化磁性材料的性能。

【o 诺介质形成方法对 NBTI 效应的影响】o 诺介质的形成方法对其磁性能产生重要影响。

不同的制备方法会导致材料中氮、硼、钛元素的比例和分布不同，从而影响 NBTI 效应。

例如，磁控溅射法可以获得高氮含量的 o 诺介质，从而提高磁性能；而分子束外延法则可以实现硼元素的均匀分布，提高矫顽力。

【结论】综上所述，o 诺介质形成方法对 NBTI 效应具有重要影响。

通过优化制备方法，可以调整氮、硼、钛元素的比例和分布，从而提高 o 诺介质的磁性能。

目录（篇2）1.NBTI 效应简介2.ONO 介质形成方法概述3.ONO 介质对 NBTI 效应的影响4.ONO 介质形成方法在 NBTI 效应中的应用案例5.总结正文（篇2）1.NBTI 效应简介BTI（Negative Bias Temperature Instability，负偏压温度不稳定性）效应是指在负偏压条件下，随着温度的升高，器件的导通电阻增加的现象。