超深亞微米PMOSFET中的NBTI研究.pdf

1、本文主要針對超深亞微米PMOSFET中的NBTI效應(yīng)進(jìn)行了深入研究,首先通過實(shí)驗(yàn)分析了NBTI退化行為及其器件和電路壽命的影響;給出了NBTI效應(yīng)中退化反應(yīng)的模型和反應(yīng)動力學(xué),并從反應(yīng)機(jī)理的角度解釋了柵氧中的氮對NBTI效應(yīng)的增強(qiáng)作用;還研究了在AC-NBT應(yīng)力作用下的PMOSFET退化以及NBTI效應(yīng)中獨(dú)特的自愈合(Self-Healing)現(xiàn)象;分析了CMOS器件中的高溫HC退化以及NBTI和HC混和效應(yīng)對器件的作用.最后探討了不同

2、工藝方法和條件對NBTI帶來的影響及可能的抑制方法,并初步建立了NBTI仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架.通過以上的研究和分析,主要得到了以下的結(jié)論:利用制作的NBTI可靠性Test chip,分析了在NBT應(yīng)力前后PMOSFET I-V特性和C-V特性的變化情況;發(fā)現(xiàn)NBTI退化會引發(fā)PMOSFET器件參數(shù)(V<,th>,G<,m>,I<,dsat>,I<,dlin>,S等)的持續(xù)漂移和特性的變壞,這是由于NBTI退化中在Si/SiO<,2>界面處

3、界面陷阱電荷Q<,it>和正氧化層電荷Q<,f>的產(chǎn)生所引起的,不同的器件參數(shù)漂移隨NBT應(yīng)力時(shí)間遵循了n≈0.28的小數(shù)冪指數(shù)關(guān)系,其中閾值電壓V<,th>具有最大的相對漂移量,需要將V<,th>作為重點(diǎn)研究的參數(shù)和壽命預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn).在對NBTI退化現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上,采用實(shí)驗(yàn)測量和理論模擬研究相結(jié)合的方法建立了關(guān)于NBTI效應(yīng)中退化反應(yīng)的模型和反應(yīng)動力學(xué),NBTI反應(yīng)過程中的界面陷阱電荷Q<,it>和正氧化層電荷Q<,f>的形成是由注入

4、熱空穴引發(fā)Si-H鍵的分解造成,在NBTI反應(yīng)初始階段是由擴(kuò)散反應(yīng)所控制的,而隨著反應(yīng)的繼續(xù)在NBTI正向和逆向反應(yīng)之間建立動態(tài)平衡,導(dǎo)致NBTI退化斜率降低,從整體上來說是由反應(yīng)所控制的過程.并從反應(yīng)機(jī)理的角度解釋了柵氧中的氮對NBTI效應(yīng)的增強(qiáng)作用.研究了NMOSFET和PMOSFET中的高溫HC效應(yīng),對不同應(yīng)力條件下的HC退化及NBTI退化進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)在NMOSFET和PMOSFET中在高溫下的最大退化發(fā)生在V<,g>=V<,

5、d>應(yīng)力條件下.PMOSFET在高溫V<,g>=V<,d>(NBTI+HC混和效應(yīng))應(yīng)力作用下具有最大的退化是NBTI增強(qiáng)的HC退化所引起的,其原因在于NBTI效應(yīng)中產(chǎn)生的正氧化層電荷會促進(jìn)HC退化電場的增加,引發(fā)更大的HC退化.同時(shí)發(fā)現(xiàn)PMOSFET退化比NMOSFET退化有著更高的溫度敏感度,并針對0.18um CMOS工藝技術(shù)建立了高溫可靠性測試準(zhǔn)則.NBTI效應(yīng)與工藝方法和條件有著密切關(guān)系,從NBTI效應(yīng)反應(yīng)機(jī)理的角度分析關(guān)鍵工

6、藝方法與條件(主要包括H,D,N,H<,2>O,F,B,氧化層損傷,互連,工藝溫度等)對NBTI效應(yīng)所帶來的影響,提出了可能的NBTI抑制方法,并給出了減小NBTI退化的原則及進(jìn)行監(jiān)控的方法.最后提出了關(guān)于NBTI效應(yīng)的仿真系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu),為最終實(shí)現(xiàn)高效的NBTI仿真系統(tǒng)奠定基礎(chǔ).可以看出,NBTI效應(yīng)已經(jīng)成為超深亞微米PMOSFET中嚴(yán)重的可靠性問題.只有理解NBTI效應(yīng)對超深亞微米SOC電路的影響,才能使未來持續(xù)縮小的器件和電路