沟道宽度对65nm金属氧化物半导体器件负偏压温度不稳定性的影响研究

随着MOS器件尺寸缩小,可靠性效应成为限制器件寿命的突出问题.PMOS晶体管的负偏压温度不稳定性(NBTI)是其中关键问题之一.NBTI效应与器件几何机构密切相关.本文对不同宽长比的65nm工艺PMOSFET晶体管开展了NBTI试验研究.获得了NBTI效应引起的参数退化与器件结构的依赖关系,试验结果表明65nm PMOSFET的NBTI损伤随沟道宽度减小而增大.通过缺陷电荷分析和仿真的方法,从NBTI缺陷产生来源和位置的角度,揭示了产生该结果的原因.指出浅槽隔离(STI)区域的电场和缺陷电荷是导致该现象的主要原因.研究结果为器件可靠性设计提供了参考.

纳米PMOSFET负偏压温度不稳定性测试方法

P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的负偏压温度不稳定性(NBTI)是制约纳米MOS器件在长寿命电子系统中应用的关键问题之一。为了准确地表征NBTI效应对器件参数的影响,分析了现有测试方法的特点,在此基础上改进了测试试验方法。利用该方法对90nm体硅工艺器件的NBTI效应进行了测试和分析,结果表明该方法能够很好地避免间断应力方法造成的参数快速恢复,获得更加准确的试验数据。

pMOS器件的热载流子注入和负偏压温度耦合效应

研究了在热载流子注入HCI(hot-carrier injection)和负偏温NBT(negative bias temperature)两种偏置条件下pMOS器件的可靠性.测量了pMOS器件应力前后的电流电压特性和典型的器件参数漂移,并与单独HCI和NBT应力下的特性进行了对比.在这两种应力偏置条件下,pMOS器件退化特性的测量结果显示高温NBT应力使得热载流子退化效应增强.由于栅氧化层中的固定正电荷引起正反馈的热载流子退化增强了漏端电场,使得器件特性严重退化.给出了NBT效应不断增强的HCI耦合效应的详细解释.

90nm pMOSFET脱耦等离子体制备氮氧化硅的负偏压温度失稳性(英文)

MOSFET器件继续微缩则闸极氧化层厚度将持续减小,在0.13μm的技术闸极二氧化硅的厚度必须小于2nm,然而如此薄的氧化层直接穿透电流造成了明显的漏电流。为了降低漏电流,二氧化硅导入高浓度的氮如脱耦等离子体氮化制备氮氧化硅受到高度重视。然而,脱耦等离子体氮化制备氮氧化硅的一项顾虑是pMOSFET负偏压温度的失稳性。在此研究里测量了脱耦等离子体氮化制备氮氧化硅pMOSFET负偏压温度失稳性,并且和传统的二氧化硅闸电极比较,厚度1.5nm的脱耦等离子体氮化制备氮氧化硅pMOSFET和厚度1.3nm的二氧化硅pMOSFET经过125℃和10.7MVcm的电场1h的应力下比较阈值电压,结果显示脱耦等离子体氮化制备氮氧化硅pMOSFET在负偏压温度应力下性能较差。在15%阈值电压改变的标准下,延长10年的寿命,其最大工作电压是1.16V,可以符合90nm工艺1V特操作电压的安全范围内。

用直接隧道栅电流在线表征PMOSFET负偏压温度不稳定性

本文提出了一种在线表征负偏压温度不稳定性(NBTI,negative bias temperature insta-bility)退化的方法--直接隧道栅电流表征法(DTGCM,DT Gate Current Method)。用这种方法可以得到NBTI应力诱生在超薄栅氧化层中的缺陷密度(包括氧化层体陷阱密度和界面态密度),并得到PMOSFET器件阈值电压的漂移(ΔVth)信息。这种方法可以有效避免NBTI恢复效应的影响。

PMOS负偏压温度不稳定性的改善研究

阐述MOS器件的尺寸逐渐缩小,器件可靠性问题日益突出,特别是PMOS负偏压温度不稳定性(NBTI),逐渐成为影响器件可靠性的关键问题之一。探讨PMOS NBTI效应,设计一系列实验。结果表明,在PMOS源漏结形成过程中,增加F离子注入,以及引入拉应力的氮化硅刻蚀阻挡层,可以有效改善PMOS NBTI寿命。

一种用于STT-MRAM可缓解NBTI效应的灵敏放大器

自旋转移力矩磁随机存储器(STT-MRAM)是存内计算体系结构中非易失性存储器的热点器件。随着器件尺寸的减小,STT-MRAM电路性能会因为工艺电压温度的变化而退化,电路中的PMOSFET也因为负偏压温度不稳定性(NBTI)引发的退化越来越严重。为降低NBTI效应造成的PMOSFET性能退化以及工艺电压温度变化对STT-MRAM读取电路的影响,本文设计了一款包含开关器件的读取灵敏放大器,仿真结果表明所设计的灵敏放大器可有效降低NBTI对PMOSFET特性的影响,同时降低了电路对工艺变化的灵敏度。

pMOS器件直流应力负偏置温度不稳定性效应随器件基本参数变化的分析

应用负偏置温度不稳定性(negative bias temperature instability,NBTI),退化氢分子的漂移扩散模型,与器件二维数值模拟软件结合在一起进行计算,并利用已有的实验数据和基本器件物理和规律,分析直流应力NBTI效应随器件沟道长度、栅氧层厚度和掺杂浓度等基本参数的变化规律,是研究NBTI可靠性问题发生和发展机理变化的一种有效方法.分析结果显示,NBTI效应不受器件沟道长度变化的影响,而主要受到栅氧化层厚度变化的影响;栅氧化层厚度的减薄和栅氧化层电场增强的影响是一致的,决定了器件退化按指数规律变化;当沟道掺杂浓度提高,NBTI效应将减弱,这是因为器件沟道表面空穴浓度降低引起的;然而当掺杂浓度提高到器件的源漏泄漏电流很小时(小泄露电流器件),NBTI效应有明显的增强.这些结论对认识NBTI效应的发展规律以及对高性能器件的设计具有重要的指导意义.

基于40nm CMOS工艺电路的NBTI退化表征方法

负偏压温度不稳定性(NBTI)退化是制约纳米级集成电路性能及寿命的主导因素之一,基于40 nm CMOS工艺对NBTI模型、模型提参及可靠性仿真展开研究。首先对不同应力条件下PMOS晶体管NBTI退化特性进行测试、建模及模型参数提取,然后建立了基于NBTI效应的VerilogA等效受控电压源,并嵌入Spectre^(TM)仿真库中,并将此受控电压源引入反相器及环形振荡器模块电路中进行可靠性仿真分析,可有效反映NBTI退化对电路性能的影响。提出了一套完整可行的电路NBTI可靠性预测方法,包括NBTI模型、模型参数提取、VerilogA可靠性模型描述以及电路级可靠性仿真分析,可为纳米级高性能、高可靠性集成电路设计提供有效参考。

界面电荷位置对短沟道pMOS器件阈值电压的影响

通过二维数值模拟的方法,研究了短沟道器件中不同位置的界面电荷对pMOS器件阈值电压的影响。把pMOS器件栅氧化层等分成不同的区域,随即可以在不同的区域设置不同的界面电荷,从而很好地模拟了器件界面电荷处于不同位置时阈值电压漂移的变化情况,并同时考虑了不同漏极偏置的影响;为了探究其变化机制,还提取和比较了一些特殊情况下器件的表面势。这些研究有助于明确器件哪些位置的界面电荷对阈值电压漂移影响更大,这对深刻理解带漏极偏置的负偏压温度不稳定性效应有一定的帮助和促进。

NBTI界面电荷反馈引起器件寿命变化的数值分析

提出一种用二维器件数值模拟和负偏压温度不稳定性(negative bias temperature instability,NBTI)模型联合计算的方法,分析NBTI效应产生的界面电荷对pMOS器件栅氧化层电场和沟道空穴浓度的反馈作用.通过大量计算和比对分析现有实验得出:当NBTI效应产生较多的界面电荷时,由于界面电荷反馈,pMOS器件的NBTI退化将有一定程度的减小.这种退化减小是一种新的退化饱和机制,对不同类型器件的寿命具有不同的影响.在低NBTI器件中,界面反馈对器件寿命曲线的变化影响不大,器件寿命曲线趋向满足指数变化规律.在高NBTI器件中,界面反馈使得寿命曲线变化基本满足幂指数变化规律.

深亚微米pMOS器件的HCI和NBTI耦合效应与物理机制

研究了深亚微米pMOS器件的热载流子注入(hot-carrier injection,HCI)和负偏压温度不稳定效应(negative bias temperature instability,NBTI)的耦合效应和物理机制.器件在室温下的损伤特性由HCI效应来控制.高温条件下,器件受到HCI和NBTI效应的共同作用,二者的混合效应表现为NBTI不断增强的HCI效应.在HCI条件下器件的阈值电压漂移依赖沟道长度,而NBTI效应中器件的阈值电压漂移与沟道长度无关,给出了分解HCI和NBTI耦合效应的方法.

pMOS器件NBTI界面电荷引起耦合的数值模拟分析

从二维模拟pMOS器件得到沟道空穴浓度和栅氧化层电场,用于计算负栅压偏置温度不稳定性NBTI(Negative bias temperature instability)效应的界面电荷的产生,是分析研究NBTI可靠性问题的一种有效方法。首先对器件栅氧化层/硅界面的耦合作用进行模拟,通过大量的计算和已有的实验比对分析得出:当NBTI效应界面电荷产生时,栅氧化层电场是增加了,但并没有使界面电荷继续增多,是沟道空穴浓度的降低决定了界面电荷有所减少(界面耦合作用);当界面电荷的产生超过1012/cm2时,界面的这种耦合作用非常明显,可以被实验测出;界面耦合作用使NBTI退化减小,是一种新的退化饱和机制,类似于"硬饱和",但是不会出现强烈的时间幂指数变化。

搭桥晶粒多晶硅薄膜晶体管直流电应力下的退化行为与退化机制研究

研究了搭桥晶粒(BG)多晶硅薄膜晶体管(TFT)在直流电应力下的退化行为和退化机制。与普通多晶硅TFT相比,BG多晶硅TFT展现出更好的直流应力可靠性。主要体现在BG多晶硅TFT拥有更好的直流负偏压温度不稳定性(NBTI)可靠性,更好的直流自加热(SH)可靠性,更好的直流热载流子(HC)可靠性。有源沟道区的BG结构是上述直流应力可靠性提高的主要原因。更好的NBTI的可靠性主要源于沟道内的硼氢键的形成;更好的SH可靠性主要源于在沟道长度方向上更快的焦耳热扩散率;更好的HC可靠性主要源于漏端横向电场(Ex)的减弱。所有的测试结果都表明,这种高性能高可靠性的BG多晶硅TFT在片上系统中具有很大的应用前景。

NBTI效应的退化表征

对超深亚微米PMOSFET器件NBTI效应的失效机理和退化表征进行了讨论。反应-扩散模型是最为广泛接受的NBTI退化机理模型,它有效地解释了阈值电压漂移随时间逐渐饱和以及应力去除后NBTI效应部分恢复的退火现象。用阈值电压漂移量表征了NBTI效应的退化,深入讨论了影响NBTI效应的主要因素:应力作用时间、栅氧电场和温度应力,总结了阈值电压漂移与这些因素的关系,给出了一个经验-逻辑推理公式,对公式中的参数提取后可以得到NBTI寿命值,从而实现NBTI效应的可靠性评价。

pMOS器件NBTI效应随着器件参数变化规律的一种模型

器件的负偏压温度不稳定性(Negative bias temperature instability,NBTI)退化依赖于栅氧化层中电场的大小和强反型时沟道空穴浓度,沟道掺杂浓度的不同显然会引起栅氧化层电场的变化。栅氧化层的厚度不仅影响栅氧化层电场,而且会影响沟道空穴浓度,因而,改变沟道掺杂浓度和栅氧化层厚度会引起NBTI退化的不同。首先利用pMOSFETS器件的能带图和NBTI的退化模型,推导出了器件NBTI随器件参数变化的公式,并修订了NBTI的数值模拟方法,然后分别利用理论计算和数值模拟的方法对不同器件参数、相同阈值电压的器件进行定量地计算和仿真,继而总结出一种分析器件NBTI退化的应用模型,可对集成电路和器件的可靠性设计提供指导。

基于电荷泵技术的三维器件的界面电荷特性研究

利用传统电荷泵技术对三维立体器件界面缺陷特性进行了研究。通过改变测试脉冲上升或下降时间,分析了三维器件界面缺陷能级分布,得出缺陷能级呈现类似'U'型分布。通过在源、漏区施加不同电压,对缺陷沿沟道水平分布进行研究,得到界面缺陷在靠近源、漏区的量最大而在远离源、漏区的位置无规则分布。通过改变脉冲保持时间,对缺陷沿高介电常数叠栅垂直分布进行研究,可以明显区分开缺陷在中间介质层和高介电常数层的缺陷量。另外,利用电荷泵技术验证了三维器件负偏压温度不稳定性(NBTI)与界面缺陷的关系。

ISSG及其氮化工艺对NBTI效应的改善

本文在对ISSG工艺特性简单分析的基础上讨论了ISSG氧化物薄膜的可靠性问题。讨论了ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI的改善原理。数据表明ISSG工艺及其相关的氮化工艺对NBTI效应有明显的改善作用。由于原子氧的强氧化作用,ISSG工艺中最终得到的氧化物薄膜体内缺陷少,界面态密度也比较小,氧化物薄膜的质量比较高。ISSG氮化工艺与传统炉管氧化物薄膜的氮化工艺的主要区别在于N所集中的位置不一样。ISSG工艺氮化是把等离子态的N+注入到多晶硅栅和SiQ2的界面,不会增加SiQ2和Si衬底的界面态,从而可以显著改善NBTI效应。而传统炉管氧化物薄膜的氮化是用NO或者N2O把N注入到SiQ2和Si衬底的界面,这样SiQ2和Si的界面态就会增加,从而增强NBTI效应。