NBTI应力下缺陷结构演变诱发的高κ小尺寸MOS器件随机退化机制研究

Stochastic NBTI degradation on small size device with high κ gate oxide (HfO2) has attracted a lot of attention due to its severe impact on the device reliability. Despite years' effort, the physics behind this degradation issue is still controversial, and obtaining an unambiguous understanding of the stochastic NBTI degradation mechanism is a critical premise for the reliability improvement of the advanced IC. In this research proposal, the step-like NBTI degradation characteristics on the small size MOS device with high κ gate oxide will be studied. Starting from the device structure and gate oxide material characteristic, different defect prototypes and their structure relaxation under NBTI stress will be investigated. By implementing the atomic modeling and first-principles simulation method, defect with H species or HfO2 intrinsic defect pair (VO-Oi) will be introduced into various positions of the interface region or bulk amorphous HfO2, and the dynamics of the defect structure transformation as well as the corresponding evolution of the defect charging level under NBT stress will be statistical analyzed. These studies are expected to provide solid theoretical guide for the fabrication process optimization and novel MOS device development.

高介电常数（κ）小尺寸p-MOSFET的负偏压温度不稳定性（NBTI）是CMOS集成电路中的一个重要的可靠性问题，对提高集成电路芯片的可用性与可靠性，延续摩尔定律有着极其重要的意义。本课题拟从高κ小尺寸MOS器件阈值电压（Vth）的随机退化/恢复的角度出发，在分析器件结构和氧化层材料的基础上，从缺陷结构类型和结构演变等研究点入手，研究高κ小尺寸MOS器件的NBTI随机退化/恢复的物理机制。课题拟采用原子结构建模与第一性原理计算等方法，通过在MOS器件的界面与非晶氧化层不同位置引入含H缺陷或者氧空位-氧间隙（VO-Oi）缺陷对，展开对非晶态氧化物材料中缺陷在NBTI应力下的结构演变、缺陷能级迁移及对器件Vth的影响等三个关键问题的研究，结合统计分析，探索高κ小尺寸MOS器件的NBTI随机退化机制，为实现器件制造工艺优化，等比缩小规则的继续推进以及新型MOS器件开发等方面提供思路和科学依据。

高介电常数（κ）小尺寸MOS器件的偏压温度不稳定性（BTI）是CMOS集成电路中一个重要的可靠性问题，随着器件尺寸物理尺寸的持续减小，阈值电压的不断降低，由BTI应力诱导的少数缺陷引起的阈值电压变化即可对MOS器件的电学特性产生巨大影响，因此，本课题开展小尺寸MOS器件的偏压温度不稳定性（BTI）的研究，对于进一步提高大规模集成电路芯片的可用性与可靠性，延续摩尔定律有着极其重要的意义。本课题从高κ小尺寸MOS器件阈值电压（Vth）的随机退化/恢复的角度出发，结合器件结构和氧化层材料特性，从缺陷结构类型和结构演变动力学等研究点入手：（1）通过模拟计算研究与分析，理清了氧空位-氧间隙缺陷对（Vo-Oi）的生成机理，获得非晶态HfO2中Vo-Oi缺陷对的生成条件。进一步在非晶态的HfO2不同位置引入Vo-Oi缺陷对，通过第一性原理计算与数学统计分析，得出不同位置的Vo-Oi缺陷对在BTI应力下，Vo与Oi相对位置变化引起的缺陷结构和能带改变，进而导致器件BTI退化；（2）我们结合MOS器件结构和HfO2材料特性，通过模拟计算对含H缺陷在非晶态的HfO2中存在的结构作分析与建模。进一步在非晶态的HfO2中的不同位置引入含H缺陷，通过第一性原理计算与数学统计，阐明H相关的缺陷在非晶态HfO2中不同位置的中结构演变规律、对能级的影响，以及在外场作用下的迁移特性。上述研究成果从材料微观缺陷角度揭示了高κ小尺寸MOS器件的BTI随机退化机制，为实现器件制造工艺改进与优化、等比缩小规则的继续推进以及新型MOS器件开发等方面提供思路和科学依据，以推动集成电路芯片性能的进一步提高。

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