CN104900592A - 一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件nbti退化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制pMOS器件NBTI退化的方法，包括(1)根据功函数差V_ms获得器件的平带电压V_FB；并通过选择不同功函数的金属栅材料，获得不同平带电压随着掺杂浓度N_d的变化关系；(2)根据平带电压V_FB获得不同平带电压下器件阈值电压V_th随沟道掺杂浓度N_d的变化关系；(3)当器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂浓度N_d；(4)获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度；(5)判断器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤(1)。本发明通过改变沟道掺杂浓度对器件NBTI退化进行了抑制，抑制效果显著。

Description

一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制pMOS器件NBTI(Negative Bias Temperature Instability)退化的方法。

背景技术

从集成电路自身发展规律来说，高性能和高可靠性始终是其发展的两个制高点。集成电路的发展一方面朝着更大规模的集成度发展，使得器件和电路的性能得到提高，单位电路的生产成本下降，这是集成电路技术发展的原动力；另一方面可靠性问题始终伴随着集成电路技术的发展和应用，并且随着集成电路特征尺寸的进一步减小，可靠性问题变得越来越突出，其中最主要的因素就包括NBTI效应。

NBTI报道源于1967年，对特征尺寸较大，栅氧化层较厚的半导体器件，NBTI对其性能影响并不大；然而随着器件尺寸的不断减小、进入了微纳米时代，加在栅极氧化层上的电场越来越高，工作温度也相应提高，在CMOS工艺中pMOS器件引起的NBTI退化重新成为器件可靠性研究的热点，引起了广泛关注。

典型NBTI效应是指pMOS器件栅极V_g接较大的负电压，源极S和漏极D接地，器件栅氧化层内的电场是均匀分布的，致使NBTI退化引起的栅氧化层界面电荷数N_it也是均匀分布，如图1所示。因此器件的阈值电压退化可以用一个简单的公式来计算：其中：N_it是NBTI退化产生的界面电荷；q是电荷电量；T_ox是氧化层SiO₂厚度；ε_ox、ε₀分别是SiO₂和真空的介电常数。界面电荷N_it的产生一般可用漂移扩散模型(Reaction-diffusion Model)来描述，可以表示为： $N_{\mathrm{it}}\≈A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp (\frac{2}{3}\mathrm{\β}\×E_{\mathrm{ox}})\×t^{\frac{1}{6}}=A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp (\frac{2}{3}\mathrm{\β}\×\frac{V_{\mathrm{ox}}}{T_{\mathrm{ox}}})\×t^{\frac{1}{6}}---\left(2\right);$ 其中：E_ox是栅氧化层电场强度；p是器件沟道表面的空穴浓度；t是退化时间；V_ox为栅氧化层的电势差；A是NBTI退化因子，通常取2.2×10⁺⁴s^-1/6；β为电场加速因子，通常取0.65cm/MV。

由以上公式可以看出，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟道掺杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道掺杂浓度的变化又会引起器件阈值电压的变化，从而又会引起NBTI退化的不同，使得NBTI退化随沟道掺杂浓度变化的问题变得更加复杂，严重阻碍了人们对NBTI退化的认识。

NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重的可靠性问题。尽管它可以通过合理的电路设计来部分加以消除，但是额外增加了设计工程师的负担；它也可以通过提高栅氧化层的质量加以抑制，但是应用效果有限。需要增加更多的防治手段。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，旨在解决现有技术中由于NBTI效应导致深亚微米pMOS器件严重不可靠的问题。

本发明提供了一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，包括下述步骤：

(1)根据功函数差V_ms获得器件的平带电压V_FB；并通过选择不同功函数的金属栅材料，获得不同平带电压随着掺杂浓度N_d的变化关系；

其中所述功函数差所述平带电压所述平带电压随掺杂浓度的关系 $V_{\mathrm{FB}}=V_{\mathrm{ms}}-\frac{Q_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}}=V_m-\mathrm{\χ}-\frac{E_g}{2q}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{Q_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}};$ V_m为金属的功函数，χ为半导体材料的电子亲和势，E_g为半导体的能带宽度；q为电荷电量；k为波尔兹曼常数；T为器件温度；N_d为沟道掺杂浓度；n_i为本证载流子浓度；Q_ox为氧化层栅内的固有电荷；ε_ox为氧化层SiO₂的介电常数；ε₀为真空的介电常数；T_ox为氧化层SiO₂的厚度；

(2)根据所述平带电压V_FB获得不同平带电压下器件阈值电压随沟道掺杂浓度N_d的变化关系；

其中，阈值电压V_th随掺杂浓度的变化关系为 $V_{\mathrm{th}}=V_{\mathrm{FB}}-2\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2};$ ε_si为硅的介电常数；

(3)当所述器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂浓度N_d；

(4)获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度；

(5)判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤(1)。

更进一步地，步骤(4)中器件NBTI退化程度ΔV_t为：

${\mathrm{\ΔV}}_t=\frac{q{T}_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\×A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp \left(\frac{2\mathrm{\β}}{{3T}_{\mathrm{ox}}}\right\{V_g-V_{\mathrm{th}}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{E_g}{2q}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}\left\}\right)\×t^{\frac{1}{6}}$

其中，A是NBTI退化因子，β为电场加速因子，p是器件沟道表面的空穴浓度；t是退化时间。

更进一步地，所述NBTI退化因子A为2.2×10⁺⁴s^-1/6；所述电场加速因子β为0.65cm/MV；空穴浓度p为5×10¹⁹/cm^-3；退化时间t为1000s。

本发明通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化；采用本发明提供的方法获得的两种器件的NBTI退化分别为76.7mV和19.6mV(退化时间t＝1000s)，沟道掺杂浓度小的器件NBTI退化是掺杂浓度大器件的25.6％，抑制效果显著。

附图说明

图1是pMOS器件结构示意图；其中N_it是NBTI产生的界面电荷，N_d是器件沟道掺杂浓度；

图2是本发明提供的通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法实现流程图；

图3(a)是n型衬底MOS结构的能带图，图3(b)是n型衬底MOS结构的电荷分布图；

图4是p⁺多晶硅栅(功函数V_m为5.25eV)时，器件相关电势随着掺杂浓度的变化曲线示意图；

图5是不同栅极功函数时器件阈值电压的变化示意图；

图6是退化时间t＝1000s时，器件NBTI阈值退化量和栅氧化层电场的变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，器件NBTI的退化主要依赖于栅氧化层中电场的大小，而沟道掺杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化，从而引起NBTI退化的不同。但是沟道掺杂浓度的变化又会引起器件阈值电压的变化，使得NBTI退化随沟道掺杂浓度变化的问题变得更加复杂。本发明实施例中分别利用理论计算和数值模拟的方法对这一问题进行了综合讨论，并总结出一种利用改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法。可以用于指导微纳CMOS集成电路和器件的设计。

本发明提供的一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，具体包括下述步骤：

(1)根据传统的阈值电压公式 $V_{\mathrm{th}}=V_{\mathrm{FB}}-2\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}$ 获得器件阈值电压随沟道掺杂浓度的关系。

其中，k表示波尔兹曼常数，q表示电荷电量，n_i是本证载流子浓度，ε_si、ε_ox、ε₀分别表示硅、二氧化硅、真空的介电常数，这些常数都是固定不变的。T表示器件温度，常温下T＝300K。T_ox表示栅氧厚度，受到多种技术要求，一般也是固定的。

V_FB表示平带电压，N_d表示沟道掺杂浓度，这两个值的不同，可以计算出不同的阈值电压。

(2)根据公式确定器件的平带电压的变化。

其中Q_ox为氧化层栅内的固有电荷，出于氧化层栅质量考虑，选择固有电荷Q_ox较小，忽略不计。则平带电压主要由功函数差V_ms决定。

对于MOS结构，V_ms＝V_m-V_s。其中金属的功函数V_m对于一定的金属来说是一定不变的常数，取值范围从3.66eV(镁)到5.25eV(p+多晶硅)。而半导体的功函数V_s则由两部分组成，一部分是半导体材料的电子亲和势χ，对于一定的半导体材料来说χ基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能χ为4.17eV左右；另一部分则是在平带条件下导带能量E_C和费米能量E_F之间的差，它是半导体掺杂的函数。由此可以得到：其中E_g为半导体的能带宽度，约为1.12eV。可见，不同的掺杂浓度N_d变化，会引起半导体功函数V_s的变化，从而引起平带电压V_FB的变化，使问题变得更加复杂。

先选择不同功函数的金属栅材料，初步计算出不同平带电压随着掺杂浓度N_d的变化。

(3)根据以上计算结果，代入(1)中的阈值电压计算公式，就可计算出不同平带电压下，阈值电压随掺杂浓度的变化规律。

(4)根据阈值电压的实际需求，一般取工作电压的1/4-1/5，就可确定不同平带电压时器件的掺杂浓度N_d。

(5)根据公式

${\mathrm{\ΔV}}_t=\frac{q{T}_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\×A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp \left(\frac{2\mathrm{\β}}{{3T}_{\mathrm{ox}}}\right\{V_g-V_{\mathrm{th}}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{E_g}{2q}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}\left\}\right)\×t^{\frac{1}{6}}$

预测不同平带电压和掺杂浓度、相同阈值电压时NBTI退化减小的程度。

其中：A是NBTI退化因子，通常取2.2×10⁺⁴s^-1/6；β为电场加速因子，通常取0.65cm/MV；p是器件沟道表面的空穴浓度，在工作电压情况下较高，一般取5×10¹⁹/cm^-3左右；t是退化时间，可以取1000s。其它常数同前所述。

(6)如果阈值电压退化程度不满足实际要求，需要返回到步骤(2)，重新选择平带电压进行计算，直到满足要求为止。

在本发明实施例中，由于NBTI效应对于深亚微米pMOS器件来说是一个非常严重的可靠性问题。尽管它可以通过合理的电路设计来部分加以消除，但是额外增加了设计工程师的负担；它也可以通过提高栅氧化层的质量加以抑制，但是应用效果有限。需要增加更多的防治手段。本发明给出了NBTI随着沟道掺杂浓度N_d变化的规律，从而总结出了一种改变沟道掺杂浓度N_d抑制NBTI效应的方法。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，下面给出详细的理论分析：

对于pMOS器件，衬底掺杂为施主型的、n型衬底，如图1所示。

1、MOS结构的平带电压V_FB的推导

对于n型衬底，费米势接近于导带Ec，如图3所示，其大小可表示为：其中，kT/q也称为热电压常数，常温下(300K)为0.0529V；N_d是沟道掺杂浓度；n_i是本证载流子浓度，可以用1×10¹⁰/cm^-3来估算。

对于MOS结构，金属(左边)和半导体(右边)存在一定的功函数差：V_ms＝V_m-V_s。其中金属的功函数V_m对于一定的金属来说是一定不变的常数，取值范围从3.66eV(镁)到5.25eV(p+多晶硅)。而半导体的功函数V_s则由两部分组成，一部分是半导体材料的电子亲和势χ，对于一定的半导体材料来说χ基本是一个恒定参数，Si材料的电子亲和能χ为4.17eV左右；另一部分则是在平带条件下E_C和E_F之间的能量差，它是半导体掺杂的函数。由图3可以得到：其中E_g为半导体的能带宽度，约为1.12eV。

在实际的n型MOS结构中，通常金属和半导体的功函数差V_ms>0，使得半导体一侧带正电荷，能带向上弯曲。能带的弯曲量除以电子电荷q为半导体中从表面到体内平衡处的电势差，称为表面势V_sur，即：其中，Q_ox为氧化层内的固有电荷。

如果对MOS结构外加一个适当的栅极电压，使它能够正好抵消V_ms和Q_ox的作用，就可以使栅下的半导体恢复电中性，使能带恢复为平带状态。这样的栅电压成为平带电压V_FB，即：由上式可以看出，不同的掺杂浓度N_d变化，会引起半导体功函数的变化，从而引起平带电压的变化，使问题变得更加复杂。因此一般是通过变化金属功函数V_m和栅氧化层电荷Q_ox来调整平带电压。无论是改变V_m或者Q_ox都会使平带电压平移。

2、器件阈值电压V_th的推导

当实际MOS结构上的外加电压V_g超过平带电压V_FB后，栅下半导体又会带正电荷，能带向上弯曲，半导体中又会形成表面势。所以，可以认为栅极电压超过平带电压的部分(V_g-V_FB)是对沟道区MOS电容进行充放电的有效栅极电压，这个电压可以分为两个部分，一部分降落在栅氧化层上V_ox，另外一部分降落在半导体上的电压，即表面势V_sur。故有：V_g-V_FB＝V_ox+V_sur(6)；根据器件阈值电压的定义，当V_g＝V_th时，栅下半导体表面的空穴浓度等于体内的电子浓度，这时的表面势

而氧化层电场可以表示为： $V_{\mathrm{ox}}=\frac{Q_m}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}}=-\frac{Q_S}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Fn}}\right)}^{1/2}$ $\left(7\right);$ 其中ε_si是半导体硅的介电常数。

由公式(6)可以得出器件阈值电压的公式： $V_{\mathrm{th}}=V_{\mathrm{FB}}-2{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Fn}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Fn}}\right)}^{1/2}---\left(8\right);$ 将公式(3)代入后得到 $V_{\mathrm{th}}=V_{\mathrm{FB}}-2\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}---\left(9\right);$ 由上式可以看出，器件的阈值电压强烈地依赖于掺杂浓度N_d、栅氧厚度T_ox和平带电压V_FB，这是器件阈值电压调整设计需要考虑的三个方面。

3、器件NBTI退化的规律

出于速度的考虑，一般器件在工作(NBTI退化)时的栅压较大，|V_g|>4|V_th|。根据图3，这时器件栅下半导体表面出现了很高的空穴浓度p，器件表面费米能级接近或进入了禁带底Ev，而且变化越来越小。因此可以近似认为：其中E_g为半导体的能带宽度，约为1.12eV。由公式(6)可以得到此时的电势关系：V_g＝V_FB+V_ox+V_s(11)；上式减去公式(9)，并将公式(10)代入，整理后得到： $V_{\mathrm{ox}}=V_g-V_{\mathrm{th}}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{E_g}{2q}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}---\left(12\right);$ 将上式代入公式(2)和(1)，即可得到NBTI阈值退化公式： ${\mathrm{\ΔV}}_t=\frac{q{T}_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\×A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp \left(\frac{2\mathrm{\β}}{{3T}_{\mathrm{ox}}}\right\{V_g-V_{\mathrm{th}}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{E_g}{2q}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{2q{N}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2}\left\}\right)\×t^{\frac{1}{6}}$ $\left(13\right);$ 由上式可以看出，器件NBTI退化随着沟道掺杂浓度N_d的提高而增大，但是N_d的增加又会影响阈值电压和平带电压。因此不能简单套用该公式进行设计，而是要综合考虑掺杂浓度N_d、栅氧厚度T_ox和平带电压V_FB来进行设计。

为了更进一步的验证上述推导出的公式的正确性，我们使用数值模拟(Simulation)和公式计算两种方法，分别仿真计算了一组常用的pMOS硅器件，模型参数如表1所示。数值模拟使用Genius-Open开源软件，

表1 计算使用的器件结构参数

(1)阈值电压的计算和调整

首先考虑常用的p⁺多晶硅栅，其功函数V_m为5.25eV。由于栅氧化层固有电荷Q_ox为0，则器件的平带电压V_FB即为栅材料和半导体硅材料的功函数差。不同的沟道掺杂浓度，半导体硅的功函数是不同的，因此V_FB随掺杂浓度变化在对数坐标的情况下是线性的，和半导体理论相符，如图4所示。图4示出了p⁺多晶硅栅(功函数V_m为5.25eV)时，器件相关电势随着掺杂浓度的变化曲线，其中横坐标表示沟道掺杂浓度N_d，纵坐标分别表示阈值V_th、栅氧化层电势差V_ox、平带电压V_FB和费米势

从图4还可以看出，栅氧化层电势差V_ox强烈地依赖于沟道浓度N_d的变化，尤其是N_d较高的区域，V_ox的变化更大。正是由于此，使得器件阈值电压在较高的N_d时候变化较大。

如果要设计该器件为增强型、阈值电压为-0.5V左右，则器件的沟道掺杂为2×10¹⁸/cm^-3左右；当器件掺杂在1×10¹⁷/cm^-3以下，器件都是耗尽型的。

为了调整该器件的阈值电压，可以考虑改变栅极功函数、也就是改变平带电压。如果改变栅极材料为多晶钨，则其功函数为4.55V，将使得平带电压下移，从而使阈值电压下移(5.25-4.55V＝)0.7V，如图5所示。图5示出了不同栅极功函数时器件阈值电压的变化曲线，其中横坐标表示沟道掺杂浓度N_d，纵坐标表示阈值电压V_th。

为了验证阈值电压公式(9)的正确性，我们采用数值模拟的方法，计算了不同掺杂浓度器件的阈值电压，也一同表示在了图5中。可以看出数值模拟和公式计算符合的很好。由图5还可以看出，调整后的阈值电压为-0.5V时，沟道掺杂浓度为2×10¹⁵/cm^-3左右；在图示掺杂范围内，都是增强型器件。

(2)NBTI退化的抑制

图6示出了退化时间t＝1000s时，器件NBTI阈值退化量和栅氧化层电场的变化，其中横坐标表示沟道掺杂浓度N_d，左边纵坐标表示阈值电压的退化量△V_th，右边纵坐标表示栅氧化层电场E_ox。

按照以上器件阈值电压设计和调整，两种器件的阈值电压都是-0.5V，但是使用了不同的沟道掺杂浓度。按照工作电压>4V_th，设定器件的工作电压(NBTI应力电压)为-2.2V；这时沟道空穴浓度p较大，假定在5×10¹⁹/cm^-3左右；时间t＝1000s，则可以依照公式(13)计算器件的NBTI退化如图6所示。

同样使用了数值模拟软件，采用了联合计算的方法，计算了NBTI的退化也表示在图6中，二者符合的很好。

由图6可以看出，NBTI退化随着掺杂浓度的提高而增大，尤其是在掺杂浓度较高时(10¹⁷/cm^-3)，这种变化更加剧烈。栅氧化层电场随掺杂浓度的变化也表示在了图6中，显然NBTI退化的这种规律主要是由于栅氧化层电场的变化所引起的。我们设计的两种器件的NBTI退化分别为76.7mV和19.6mV(退化时间t＝1000s)，沟道掺杂浓度小的器件NBTI退化是掺杂浓度大器件的25.6％，抑制效果显著。

依据传统的阈值电压计算公式和NBTI退化时应力条件，本发明推导出了一个NBTI阈值电压退化随沟道掺杂浓度变化的公式(13)，并经过了数值模拟的仿真验证。器件NBTI退化随着沟道掺杂浓度的变化而变化，但是沟道掺杂浓度的变化也会同时引起阈值电压的变化，因此在设计器件时不能仅仅关注沟道掺杂浓度的变化，要综合考虑掺杂浓度N_d、栅氧厚度T_ox和平带电压V_FB来进行设计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种通过改变沟道掺杂浓度来抑制器件NBTI退化的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据功函数差V_ms获得器件的平带电压V_FB；并通过选择不同功函数的金属栅材料，获得不同平带电压随着掺杂浓度N_d的变化关系；

其中所述功函数差所述平带电压所述平带电压随掺杂浓度的关系 $V_{\mathrm{FB}}=V_{\mathrm{ms}}-\frac{Q_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}}=V_m-\mathrm{\χ}-\frac{E_g}{2q}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{Q_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}{T}_{\mathrm{ox}};$ V_m为金属的功函数，χ为半导体材料的电子亲和势，E_g为半导体的能带宽度；q为电荷电量；k为波尔兹曼常数；T为器件温度；N_d为沟道掺杂浓度；n_i为本证载流子浓度；Q_ox为氧化层栅内的固有电荷；ε_ox为氧化层SiO₂的介电常数；ε₀为真空的介电常数；T_ox为氧化层SiO₂的厚度；

(2)根据所述平带电压V_FB获得不同平带电压下器件阈值电压随沟道掺杂浓度N_d的变化关系；

其中，阈值电压V_th随掺杂浓度的变化关系为 $V_{\mathrm{th}}=V_{\mathrm{FB}}-2\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{{2\mathrm{qN}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2};$ ε_si为硅的介电常数；

(3)当所述器件阈值电压为工作电压的1/4-1/5时，获得不同平带电压时器件的掺杂浓度N_d；

(4)获得不同平带电压、不同掺杂浓度且相同阈值电压时器件NBTI退化程度；

(5)判断所述器件NBTI退化程度是否满足实际需求，若是，则抑制了器件NBTI的退化；若否，则选择不同功函数的金属栅材料并返回至步骤(1)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中器件NBTI退化程度ΔV_t为：

${\mathrm{\ΔV}}_t=\frac{{\mathrm{qT}}_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\×A\×p^{\frac{2}{3}}\×\exp \left(\frac{2\mathrm{\β}}{{3T}_{\mathrm{ox}}}\right\{V_g-V_{\mathrm{th}}+\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)-\frac{E_g}{2q}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ox}}}{T}_{\mathrm{ox}}{\left[\frac{{2\mathrm{qN}}_d}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}{\mathrm{\ϵ}}_0}\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_d}{n_i}\right)\right]}^{1/2})\×t^{\frac{1}{6}}$

其中，A是NBTI退化因子，β为电场加速因子，p是器件沟道表面的空穴浓度；t是退化时间。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述NBTI退化因子A为2.2×10⁺⁴s^-1/6；所述电场加速因子β为0.65cm/MV；空穴浓度p为5×10¹⁹/cm^-3；退化时间t为1000s。