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MOSFET热载流子退化效应的研究

陈勇  
【摘要】: 本文基于小尺寸MOS器件热载流子退化的物理机理,对器件热载流子退化所导致的性能退化进行了深入的理论分析和相应的实验研究,给出了预测MOS器件和电路热载流子退化寿命的方法,并提出了抗热载流子退化的MOS模拟和数字电路结构。 首先,本文对超大规模集成电路中MOS器件尺寸缩小的限制及相应的可靠性问题进行了分析,特别是对小尺寸MOSFET的热载流子效应进行了较详细的讨论;并对国内外MOS器件和电路的热载流子可靠性研究进行了概述。 基于MOSFET偏压不能按比例缩小所导致的高电场,对MOSFET的热载流子产生机理进行了分析,导出了热载流子注入所引起的界面态的Si-H健断裂模型,并建立了表征器件热载流子效应的衬底电流模型。另外,比较讨论了P沟和N沟MOSFET的退化,对器件退化导致的电路延迟增加则引入了“时间因子”的概念来加以明确的表征;对器件退化的饱和效应和温度特性也作了分析概述。 针对MOS器件热载流子退化所引入的界面态,根据其沿沟道非均匀分布的模型,采用准二维分析方法对退化后器件的漏源电流、阈值电压和饱和区沟道电场作了详细的理论推导,并与实验结果和器件二维数值模拟软件MINIMOS 6.0的计算结果进行了验证比较。对器件的亚阈区导电和RF等特性的热载流子退化,也作了相应的分析。 为了分析研究高场热载流子效应对器件和电路特性可靠性的影响,采用自动测试与CAD技术相结合的监测系统,对国内沟道长度1.2μm、1.0μm和0.8μm的MOSFET进行了电应力退化实验,并根据实验结果提取了退化前后器件的BSIM2模型参数。 详细分析讨论了MOSFET的寿命与退化模型,并对电路中器件所受的动态应力与直流静态电应力进行了分析比较:根据实验结果改进了有效导电长度L_C模型;应用直流电应力实验数据进行了衬底电流模型中载流子速度饱和 电子科技大学博士论文 临界电场E*;、有效导电长度Lc以及退化参数H、m和 n的提取。概述了电 路可靠性模拟软件BERTZ刀的CAS(CircuitAgingSAnulator)模块的基本原 理:并以十一级环振为例,运用**Rh刀进行了其中各个器件和总的电路寿 命的预测。此外,还利用普通;挣山加速器进行了MOSFET的电子辐射实验, 并提出了运用电子辐射实验预测器件寿命的方法。 最后,根据热载流子效应所导致的MOS器件性能参数的退化和其在模 拟和数字运用环境下的特点,分别提出了抗热载流子退化的模拟和数字电路 结构。即在受热载流子退化效应较严重的n-MOSFET漏极串联一肖特基二极 管的新型CMOS数字电路结构和串联一工作于线性区的常开n-MOSFET的 MOS模拟电路结构。经 SPICE及电路可靠性模拟软件 BERT 2.0对倒相器的 模拟结果表明:新型CMOS数字电路结构结构使衬底电流降低约50%,器 件的热载流子退化效应明显改善而不会增加电路延迟;巳该电路结构中肖特 丛一级管可在NMOSFET漏极亘接制作肖特基金半接触来方便地实现,工艺 简单又无须增加芯片而积。而串联常开n-MOSFET的模拟电路结构可使 n-MOSFET输出电阻的退化大为减小同时还可改善器件小尺寸效应引起的 输出电阻下降:采用该结构的**OS运放与未采用的相比,其十年工作后增 益的退化由23%下降为10%。可见新的电路结构大大降低了热载流于效应导 致的电路寿命的下降,从而得到了MOS电路热载流子退化的解决方案。对 抗热载流子退化的 MOS器件 LDDNghtly Doped Drain)结构及栅氧化层加固 技术也作了简单的介绍。


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