超深亚微米PMOSFET中的NBTI研究

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1、摘要超深亚微米PMOSFET中的NBTI(NegativeBiasTemperaturInstability)效应已经成为对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效应的增强作用；还研究了在AC．NBT应

2、力作用下的PMOSFET退化咀及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Testchip，分析了在NBT应力前后PMOSFETI-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¨G。，Ids札，bi。，S等)的持续漂移和特性的变坏，这是由于NBTI退化中在Si／Si02界面处界面陷阱电荷Q．。和

3、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，而且随着器件栅长L的减小，栅氧厚度Tox减薄等使PMOSFET中的NBTI效应呈现出了增强的趋势，这使得NBTI退化有可能成为未来CMOS器件发展的严重障碍。同时在实验测量的基础上还给出PMOSFET中由NBTI引发的v。h漂移的经验公式用于

4、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。

5、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应力下的NBTI会导致较短的器件寿命预测。PMOSFET中的AC．NBTI退化与信号频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界面处运动从而发生钝化作用造成的。同时还对

6、NBTI效应独特的自愈合现象(Self-Healing)进行了研究，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。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NBTt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产Vd应力条件下。PMOSFET在高温V。=Vd(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

7、的温度敏感度，并针对0．18urnCMOS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