微納米PMOS器件的NBTI效應研究.pdf

1、隨著器件尺寸的不斷減小，PMOS器件NBTI(Negative Bias TemperatureInstability)效應變得愈發(fā)明顯，對CMOS器件和電路可靠性的影響也愈發(fā)嚴重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。因此，研究NBTI效應的退化現(xiàn)象并從中找出其內(nèi)在的產(chǎn)生機理進而提出抑制或消除NBTI效應的有效措施，是當前集成電路(IC)設計者和生產(chǎn)者所面臨的迫切問題。
　　 論文首先通過大量器件的實驗測試結果分析了NBTI應

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

3、，溝道寬度由寬到窄再到超窄過程中，器件退化出現(xiàn)了極小值現(xiàn)象；在溝道兩側邊緣即柵漏、柵源交疊區(qū)的邊緣效應作用下，器件在溝道減小過程中邊緣部分占整個溝道的比值增大，邊緣效應增大，NBTI效應引起的退化增大。
　　 論文對基于氫相關物質的反應-擴散(R-D)模型進行了推導，從理論上說明了NBTI退化的具體過程。通過與實際實驗數(shù)據(jù)相結合分析發(fā)現(xiàn)，器件退化在相當長的一段時期內(nèi)與時間服從指數(shù)在0.25-0.5范圍內(nèi)的冪函數(shù)關系，從而得出NB

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

5、這是因為在溝道區(qū)域進入氧化層的空穴可以補償由橫向電場引起的近漏端的電子注入；在BNBTI應力作用下，襯底偏壓應力產(chǎn)生的熱空穴效應會加劇器件退化，使器件退化出現(xiàn)拐點現(xiàn)象，在拐點之前的器件退化斜率小于拐點之后的器件退化斜率，交替應力實驗結果證明器件中由熱空穴導致的界面陷阱不能恢復。
　　 論文對PMOS器件的動態(tài)NBTI效應進行了研究。首先對負柵壓-正柵壓-負柵壓循環(huán)應力對NBTI效應的影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)器件恢復主要包括三個階段，

6、其中對器件恢復起主要作用的是第一階段即快速恢復階段，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；器件恢復是一種不完全恢復，最終會達到恢復飽和狀態(tài)，其最終退化量與恢復應力大小、應力溫度、應力周期等密切相關。采用高低幅度負柵壓交替應力對PMOS器件的退化恢復進行了NBTI效應的實時監(jiān)測，在低幅度負柵壓下器件的恢復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為逐漸的連續(xù)性恢復，最終退化量大小主要是

7、由退化過程中界面陷阱的產(chǎn)生和由恢復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，隨著退化應力電壓的增加，器件漏電流恢復階躍頻率相應增加。
　　 論文研究了PMOS器件NBTI應力過程中的SILC現(xiàn)象。SILC與NBTI應力時間或NBTI退化量均呈現(xiàn)出規(guī)律的冪函數(shù)關系。通過研究，認為雙界面陷阱及氧化層電荷的輔助隧穿導致了SILC的峰值現(xiàn)象。另外，關態(tài)SILC峰值現(xiàn)象與界面陷阱、氧