微納米PMOS器件的NBTI效應(yīng)研究.pdf

1、隨著器件尺寸的不斷減小，PMOS器件NBTI(Negative Bias TemperatureInstability)效應(yīng)變得愈發(fā)明顯，對(duì)CMOS器件和電路可靠性的影響也愈發(fā)嚴(yán)重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。因此，研究NBTI效應(yīng)的退化現(xiàn)象并從中找出其內(nèi)在的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)而提出抑制或消除NBTI效應(yīng)的有效措施，是當(dāng)前集成電路(IC)設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者所面臨的迫切問(wèn)題。
　　 論文首先通過(guò)大量器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析了NBTI應(yīng)

2、力對(duì)微納米PMOS器件特性及參數(shù)的影響。重點(diǎn)研究了90nm的PMOS器件，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，器件不同關(guān)鍵參數(shù)出現(xiàn)相同的持續(xù)性退化規(guī)律；通過(guò)不同應(yīng)力溫度對(duì)NBTI效應(yīng)的影響分析可知，小尺寸器件激活能值更小，NBTI效應(yīng)更容易發(fā)生，并得到了器件壽命與溫度之間的關(guān)系式；在柵壓應(yīng)力對(duì)器件NBTI效應(yīng)的影響研究中，發(fā)現(xiàn)Power-law柵壓應(yīng)力模型更適合對(duì)薄柵氧器件壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，而厚柵氧器件則可以采用傳統(tǒng)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)；在STI邊緣效應(yīng)作用下

3、，溝道寬度由寬到窄再到超窄過(guò)程中，器件退化出現(xiàn)了極小值現(xiàn)象；在溝道兩側(cè)邊緣即柵漏、柵源交疊區(qū)的邊緣效應(yīng)作用下，器件在溝道減小過(guò)程中邊緣部分占整個(gè)溝道的比值增大，邊緣效應(yīng)增大，NBTI效應(yīng)引起的退化增大。
　　 論文對(duì)基于氫相關(guān)物質(zhì)的反應(yīng)-擴(kuò)散(R-D)模型進(jìn)行了推導(dǎo)，從理論上說(shuō)明了NBTI退化的具體過(guò)程。通過(guò)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)，器件退化在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)與時(shí)間服從指數(shù)在0.25-0.5范圍內(nèi)的冪函數(shù)關(guān)系，從而得出NB

4、TI反應(yīng)產(chǎn)物包括H+離子的結(jié)論。
　　 論文研究了在DNBTI與BNBTI應(yīng)力作用下器件的退化現(xiàn)象及其機(jī)理。由于橫向電場(chǎng)引發(fā)的熱載流子效應(yīng)以及局部損傷的增強(qiáng)，器件退化量及器件退化與時(shí)間的關(guān)系指數(shù)在HDNBTI應(yīng)力下都要比單獨(dú)NBTI應(yīng)力下的大；當(dāng)漏壓應(yīng)力小到一定程度時(shí)，器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布與NBTI應(yīng)力下情況基本相同，從而導(dǎo)致器件退化及時(shí)間指數(shù)都與單獨(dú)NBTI應(yīng)力下的相近；在高漏低柵應(yīng)力作用下，發(fā)現(xiàn)器件退化表現(xiàn)為正電荷的退化機(jī)制，

5、這是因?yàn)樵跍系绤^(qū)域進(jìn)入氧化層的空穴可以補(bǔ)償由橫向電場(chǎng)引起的近漏端的電子注入；在BNBTI應(yīng)力作用下，襯底偏壓應(yīng)力產(chǎn)生的熱空穴效應(yīng)會(huì)加劇器件退化，使器件退化出現(xiàn)拐點(diǎn)現(xiàn)象，在拐點(diǎn)之前的器件退化斜率小于拐點(diǎn)之后的器件退化斜率，交替應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明器件中由熱空穴導(dǎo)致的界面陷阱不能恢復(fù)。
　　 論文對(duì)PMOS器件的動(dòng)態(tài)NBTI效應(yīng)進(jìn)行了研究。首先對(duì)負(fù)柵壓-正柵壓-負(fù)柵壓循環(huán)應(yīng)力對(duì)NBTI效應(yīng)的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)器件恢復(fù)主要包括三個(gè)階段，

6、其中對(duì)器件恢復(fù)起主要作用的是第一階段即快速恢復(fù)階段，該階段主要是由柵氧中陷落的正電荷發(fā)生退陷作用返回器件表面溝道所造成的；器件恢復(fù)是一種不完全恢復(fù)，最終會(huì)達(dá)到恢復(fù)飽和狀態(tài)，其最終退化量與恢復(fù)應(yīng)力大小、應(yīng)力溫度、應(yīng)力周期等密切相關(guān)。采用高低幅度負(fù)柵壓交替應(yīng)力對(duì)PMOS器件的退化恢復(fù)進(jìn)行了NBTI效應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在低幅度負(fù)柵壓下器件的恢復(fù)主要是由柵氧俘獲空穴發(fā)生退陷作用造成的；較大尺寸器件的漏電流恢復(fù)為逐漸的連續(xù)性恢復(fù)，最終退化量大小主要是

7、由退化過(guò)程中界面陷阱的產(chǎn)生和由恢復(fù)電壓所決定的可以在柵氧中保持陷落的正電荷所造成的；很小尺寸器件的漏電流表現(xiàn)為非連續(xù)性的階躍式恢復(fù)，隨著退化應(yīng)力電壓的增加，器件漏電流恢復(fù)階躍頻率相應(yīng)增加。
　　 論文研究了PMOS器件NBTI應(yīng)力過(guò)程中的SILC現(xiàn)象。SILC與NBTI應(yīng)力時(shí)間或NBTI退化量均呈現(xiàn)出規(guī)律的冪函數(shù)關(guān)系。通過(guò)研究，認(rèn)為雙界面陷阱及氧化層電荷的輔助隧穿導(dǎo)致了SILC的峰值現(xiàn)象。另外，關(guān)態(tài)SILC峰值現(xiàn)象與界面陷阱、氧