双金属栅CMOS器件的可靠性退化机制及其抑制方法研究

This project is proposed to solve the reliability degradations in dual-metal gated CMOS devices, especially bias temperature instability （BTI） and hot carrier injection （HCI） due to metal inter-diffusion between the CMOS gates. By using physical characterization and mathematic modeling, the thermal diffusion of metal in dual metal gates will be predicted and the coupling model of dual-metal CMOS performance degradation will be set up, based on which a potential process solution will be proposed. All the study will give a strong support for improving the reliability of metal-gate CMOS devices in a VLSI circuit from theorety and process. The main research content of this project includes: 1) studing the microscope evolution and the mechanism of interface states and bulk defects in high-k dielectric generated by metal atom diffusion coming from metal-gate, including types of defects, its density, the spatial and energy distribution;2) studing the contribution and independent model of metal diffusion to CMOS device performance degradation due to the defect generation; 3) constructing the coupling model of dual-metal CMOS device performance degradation within an integration enviroment, which considers the impact of layout design, process flow and metal gate structure itself; 4) propose innovative dual-metal gate design and optimal CMOS integration plan to lower the negative impact of dual-metal inter-diffusion on CMOS reliability.

本课题围绕着双金属高k栅CMOS器件的性能退化问题，重点研究集成环境下双金属互扩散对CMOS器件的偏压温度不稳定性（BTI）和热载流子注入（HCI）两大重要可靠性问题的影响。利用物理表征和数学建模的方法，预测金属原子在双金属栅结构中的热扩散运动，并建立双金属栅CMOS器件的可靠性退化耦合模型，进而提出抑制金属扩散引起器件可靠性退化的解决方案，以期为提升双金属栅CMOS器件的可靠性提供帮助。本课题的主要研究内容包括：1）研究金属通过扩散对高k栅介质造成的界面和体内缺陷的微观特性变化，包括缺陷的类型、数量、空间和能级分布等。2）研究金属扩散引起的CMOS器件的可靠性退化机制。3）建立CMOS集成环境下金属互扩散对双金属CMOS器件的性能退化模型，考虑了版图设计、工艺整合和栅叠层结构等因素。4）提出创新的双金属栅结构设计和CMOS工艺整合方案，以降低双金属互扩散对CMOS器件的可靠性的负面影响。

随着微电子技术的飞速发展，大规模集成电路中CMOS器件的特征尺寸不断缩小，器件的可靠性对电路性能的影响也越来越复杂，越来越重要。本项目主要围绕高k介质和金属栅这一新型材料体系，开展CMOS器件可靠性退化机制及其抑制方法的研究。.本项目的主要研究内容：1）功函数层金属及填充金属在金属栅中的扩散行为及其与高k栅介质的相互作用。2）金属扩散对高k栅介质中的温度偏压不稳定性（BTI）和热载流子注入（HCI）特性的影响。3）CMOS集成环境下金属互扩散对器件特性退化影响的耦合模型。4）在双金属栅CMOS可靠性退化物理机制的研究基础上，提出创新的双金属栅结构设计和CMOS集成方案，以降低双金属互扩散对大规模CMOS集成电路可靠性的影响。.本项目依托于本单位的CMOS先导工艺平台，成功制备了全后栅工艺的双金属栅CMOS器件，深入开展了双金属栅的CMOS器件的可靠性研究，包括可靠性表征、寿命预测与退化机理，借助于物理、化学和电学分析手段，分析了金属栅叠层中金属原子的微观扩散行为，提取了缺陷的数目、能级等信息，并结合工艺条件和版图设计，提出了有效抑制双金属栅CMOS器件可靠性的可行性技术方案，为双金属栅CMOS器件可靠性的退化机理研究具有一定的参考意义。