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微纳米PMOS器件的NBTI效应研究

曹艳荣  
【摘要】: 随着器件尺寸的不断减小,PMOS器件NBTI(Negative Bias TemperatureInstability)效应变得愈发明显,对CMOS器件和电路可靠性的影响也愈发严重,成为限制器件及电路寿命的主要因素之一。因此,研究NBTI效应的退化现象并从中找出其内在的产生机理进而提出抑制或消除NBTI效应的有效措施,是当前集成电路(IC)设计者和生产者所面临的迫切问题。 论文首先通过大量器件的实验测试结果分析了NBTI应力对微纳米PMOS器件特性及参数的影响。重点研究了90nm的PMOS器件,发现随着应力时间的增加,器件不同关键参数出现相同的持续性退化规律;通过不同应力温度对NBTI效应的影响分析可知,小尺寸器件激活能值更小,NBTI效应更容易发生,并得到了器件寿命与温度之间的关系式;在栅压应力对器件NBTI效应的影响研究中,发现Power-law栅压应力模型更适合对薄栅氧器件寿命进行预测,而厚栅氧器件则可以采用传统模型进行预测;在STI边缘效应作用下,沟道宽度由宽到窄再到超窄过程中,器件退化出现了极小值现象;在沟道两侧边缘即栅漏、栅源交叠区的边缘效应作用下,器件在沟道减小过程中边缘部分占整个沟道的比值增大,边缘效应增大,NBTI效应引起的退化增大。 论文对基于氢相关物质的反应-扩散(R-D)模型进行了推导,从理论上说明了NBTI退化的具体过程。通过与实际实验数据相结合分析发现,器件退化在相当长的一段时期内与时间服从指数在0.25-0.5范围内的幂函数关系,从而得出NBTI反应产物包括H~+离子的结论。 论文研究了在DNBTI与BNBTI应力作用下器件的退化现象及其机理。由于横向电场引发的热载流子效应以及局部损伤的增强,器件退化量及器件退化与时间的关系指数在HDNBTI应力下都要比单独NBTI应力下的大;当漏压应力小到一定程度时,器件内部的电场分布与NBTI应力下情况基本相同,从而导致器件退化及时间指数都与单独NBTI应力下的相近;在高漏低栅应力作用下,发现器件退化表现为正电荷的退化机制,这是因为在沟道区域进入氧化层的空穴可以补偿由横向电场引起的近漏端的电子注入;在BNBTI应力作用下,衬底偏压应力产生的热空穴效应会加剧器件退化,使器件退化出现拐点现象,在拐点之前的器件退化斜率小于拐点之后的器件退化斜率,交替应力实验结果证明器件中由热空穴导致的界面陷阱不能恢复。 论文对PMOS器件的动态NBTI效应进行了研究。首先对负栅压-正栅压-负栅压循环应力对NBTI效应的影响进行了分析,发现器件恢复主要包括三个阶段,其中对器件恢复起主要作用的是第一阶段即快速恢复阶段,该阶段主要是由栅氧中陷落的正电荷发生退陷作用返回器件表面沟道所造成的;器件恢复是一种不完全恢复,最终会达到恢复饱和状态,其最终退化量与恢复应力大小、应力温度、应力周期等密切相关。采用高低幅度负栅压交替应力对PMOS器件的退化恢复进行了NBTI效应的实时监测,在低幅度负栅压下器件的恢复主要是由栅氧俘获空穴发生退陷作用造成的;较大尺寸器件的漏电流恢复为逐渐的连续性恢复,最终退化量大小主要是由退化过程中界面陷阱的产生和由恢复电压所决定的可以在栅氧中保持陷落的正电荷所造成的;很小尺寸器件的漏电流表现为非连续性的阶跃式恢复,随着退化应力电压的增加,器件漏电流恢复阶跃频率相应增加。 论文研究了PMOS器件NBTI应力过程中的SILC现象。SILC与NBTI应力时间或NBTI退化量均呈现出规律的幂函数关系。通过研究,认为双界面陷阱及氧化层电荷的辅助隧穿导致了SILC的峰值现象。另外,关态SILC峰值现象与界面陷阱、氧化层电荷密切相关,通过峰值差值法得到了差值SILC与时间的关系,并通过与亚阈摆幅变化的比较,发现两种方法得到的数据变化退化趋势相同,从而认为双峰差值法可以反映器件界面陷阱的变化。


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