超深亚微米PMOSFET中的NBTI研究

摘要

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效应的增强作用;还研究了在AC-NBT应力作用下的PMOSFET退化以及NBTI效应中独特的自愈合(Self-Healing)现象;分析了CMOS器件中的高温HC退化以及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 chip,分析了在NBT应力前后PMOSFET I-V特性和C-V特性的变化情况;发现NBTI退化会引发PMOSFET器件参数(V<,th>,G<,m>,I<,dsat>,I<,dlin>,S等)的持续漂移和特性的变坏,这是由于NBTI退化中在Si/SiO<,2>界面处界面陷阱电荷Q<,it>和正氧化层电荷Q<,f>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≈0.28的小数幂指数关系,其中阈值电压V<,th>具有最大的相对漂移量,需要将V<,th>作为重点研究的参数和寿命预测的标准.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<,it>和正氧化层电荷Q<,f>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正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.研究了NMOSFET和PMOSFET中的高温HC效应,对不同应力条件下的HC退化及NBTI退化进行了对比,发现在NMOSFET和PMOSFET中在高温下的最大退化发生在V<,g>=V<,d>应力条件下.PMOSFET在高温V<,g>=V<,d>(NBTI+HC混和效应)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退化.同时发现PMOSFET退化比NMOSFET退化有着更高的温度敏感度,并针对0.18um CMOS工艺技术建立了高温可靠性测试准则.NBTI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,H<,2>O,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.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章：绪论

§1.1研究背景与意义

§1.2目前国内外相关研究现状与进展

§1.3本论文的主要研究工作

第二章：超深亚微米PMOSFET中的NBTI效应研究

§2.1引言

§2.2 NBTI/HCI测试芯片的制作与实验方法

§2.3 NBTI效应测试样品制备与实验方法

§2.4 NBTI效应对PMOSFET器件I-V及C-V特性的影响

§2.5 PMOSFET静态参数随NBTI应力时间的漂移

§2.6 NBT应力条件和PMOSFET器件参数对NBTI效应的影响

§2.7 PMOSFET由NBTI效应限制的器件寿命评估

§2.8 NBTI效应对模拟电路性能的影响

§2.9 NBTI效应对数字电路性能的影响

§2.10电荷损伤对NBTI效应的影响

§2.11本章小结

第三章超深亚微米PMOSFET中的NBTI效应机理研究

§3.1引言

§3.2目前建立的NBTI界面陷阱Dit与氧化层电荷Qf产生模型

§3.3 NBTI效应界面陷阱Qit与氧化层电荷Qf的产生及模型建立

§3.4氮在NBTI效应中的作用

§3.5本章小结

第四章：超深亚微米PMOSFET中的AC-NBTI效应

§4.1引言

§4.2样品制备与实验方法

§4.3 AC-NBT退化与频率之间的关系

§4.4 NBTI效应中的动态特性及对器件寿命的影响

§4.5 NBTI效应中的自愈合(Self-Healing)现象

§4.6本章小结

第五章：超深亚微米MOSFET的高温HC退化及可靠性测试原则

§5.1引言

§5.2样品制备与实验方法

§5.3超深亚微米NMOSFET中的高温HC退化

§5.4超深亚微米PMOSFET中的高温HC退化

§5.5基于标准0.18um CMOS工艺技术的高温可靠性测试标准

§5.6本章小结

第六章：超深亚微米PMOSFET中的NBTI+HC混合效应研究

§6.1引言

§6.2样品制备与实验方法

§6.3 NBTI+HC混合效应对PMOSFET退化的影响

§6.4 PMOSFET中NBTI+HC混和效应的退化机制

§6.5 NBTI+HC效应对PMOSFET影响的分解

§6.6本章小结

第七章：NBTI效应的抑制方法及仿真系统的建立

§7.1引言

§7.2不同工艺条件对NBTI效应的影响及可能采取的抑制方法

§7.3针对NBTI效应的抑制原则及监控方法

§7.4超深亚微米PMOSFET中NBTI效应仿真系统的建立

§7.5本章小结

第八章 结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果