超深亚微米PMOSFET中的NBTI研究.pdf

摘 要 Bias Instability)效应 超深亚微米PMOSFET中的NBTI(NegativeTemperatur 已经成为对CMOS器件和电路可靠性的严重威胁，并且随着器件尺寸和栅氧厚度 的持续缩小NBTI效应所引发的退化越来越严重。研究NBTI退化现象并且寻找其 发生的内在机理，进而消除这种可靠性隐患是Ic设计者和生产者必须面对的问题。 本文主要针对超深亚微米PMOSFET中的NBTI效应进行了深入研究，首先通 过实验分析了NBTI退化行为及其器件和电路寿命的影响；给出了NBTI效应中退 化反应的模型和反应动力学，并从反应机理的角度解释了栅氧中的氮对NBTI效应 NBTI和HC混和效应对器件的作用。最后探讨了不同工艺方法和条件对NBTI带 来的影响及可能的抑制方法，并初步建立了NBTI仿真系统的结构框架。通过以上 的研究和分析，主要得到了以下的结论： 利用制作的NBTI可靠性Test I-V特 chip，分析了在NBT应力前后PMOSFET 性和C-V特性的变化情况； 界面处界面陷阱电荷Q．。和正氧化层电荷qr的产生所引起的，不同的器件参数漂移 随NBT应力时间遵循了n。O．28的小数幂指数关系，其中阈值电压vIIl具有最大的 相对漂移量，需要将Vtll作为重点研究的参数和寿命预测的标准。长时间的NBT 应力退化表明器件VtIl的退化斜率会变逐渐小并且最终会达到一个饱和值并且稳 定下来。应力温度的升高以及负栅压应力的增大都会使器件的vtll漂移增强，而且 了增强的趋势，这使得NBTI退化有可能成为未来CMOS器件发展的严重障碍。 用于器件寿命的预测。NBTI效应对模拟电路和数字电路都有着重要的影响，会引 发电流镜电路中PMOSFET的参数及电流失配，导致CMOS反相器延迟的增加和 环形振荡器频率漂移的增加，从而导致电路的特性变差乃至功能失效。 在对NBTI退化现象研究的基础上，采用实验测量和理论模拟研究相结合的方 法建立了关于NBTI效应中退化反应的模型和反应动力学，NBTI反应过程中的界 面陷阱电荷Q，t和正氧化层电荷Qf的形成是由注入热空穴引发si．H键的分解造成， 在NBTI反应初始阶段是由扩散反应所控制的，而随着反应的继续在NBTI币向和 逆向反应之间建立动态平衡，导致NBTI退化斜率降低，从整体上来说是由反应所 控制的过程。并从反应机理的角度解释了栅氧中的氮对NBTI效应的增强作用。 超深砸微米PMOSFET中的NBTI效应研究 AC应力下的器件NBTI退化更能够真实的反应器件的退化情况，而DC应力 率之间有着密切的关系，信号频率越高则退化越小，同时AC．NBTI退化还会收到 信号占空比的影响。在负．J下．负栅压交替作用下PMOSFET器件中会呈现退化．钝 化．退化的动态作用过程，正栅压作用下的PMOSFET器件特性退化会有一定程度 的恢复，这是由于在正栅压作用下NBTI反应产物逆向向Si／Si02界面处运动从而 行了研究，自愈合现象可能和某些处于充电状态的陷阱电荷发生放电作用以及陷 阱的重新被钝化作用有关。 应)应力作用下具有最大的退化是NBTI增强的Hc退化所引起的，其原因在于 NBTI效应中产生的正氧化层电荷会促进HC退化电场的增加，引发更大的HC退 0．18urn CMOS工艺技术建立了高温可靠性测试准则。 NBTt效应与工艺方法和条件有着密切关系，从NBTI效应反应机理的角度分 析关键工艺方法与条件(主要包括H，D，N，H20，F，B，氧化层损伤，互连， 工艺温度等)对NBTI效应所带来的影响，提出了可能的NBTI抑制方法，并给出 了减小NBTI退化的原则及进行监控的方法。最后提出了关于NBTI效应的仿真系 统的整体框架结构，为最终实现高效的NBTI仿真系统奠定基础。 可以看出，NBTI效应已经成为超深亚微米PMOSFET中严重的可靠性问题。 只有理解NBTI效应对超深亚微米SOC电路的影响，才能使未来持续缩小的器件 和电路高效和高可靠性的工作。而解决NBTI效应这一超深亚微米SOC生产所必 须面临的障碍是一项包括物理，工程和工艺和加工等综合起来的工作。 关键词：超深亚