（微电子学与固体电子学专业论文）vlsi热载流子退化的嵌入式测试技术研究.pdf

摘要 摘要 随着v l s i 技术的发展，m o s 集成电路进入超深亚微米时代，热载流子效应 变得更加严重，使得热载流子效应对于m o s 器件和电路可靠性的影响越来越 大，对热载流子效应的研究变得越来越重要。为此，本文做了以下相关研究工 作： 首先，本文概括的介绍了集成电路热载流子可靠性研究的国内外研究动态， 分析了m o s f e t 热载流子退化的失效机理，研究了抗热载流子退化效应的可靠性 设计方法，并通过b e r t 的模拟验证了其有效性。从而为c m o s 集成电路的可靠 性设计提供了很好的参考依据； 其次，本文在深入研究和了解相关的热载流子效应机理和测试方法的基础 上，介绍了一种热载流子退化的嵌入式实时预测方法，并在0 3 5 微米c m o s 混合 信号工艺下完成了预测电路的模拟仿真验证和版图设计并投片。当v l s i 热载流子 退化引起的瞬态性能退化超过预设的界限时，本预测电路会发出一个报警信号。 它只占用很小的芯片面积，同时它几乎不与被测电路共用信号( 除上电复位信号 和电源信号外) ，从而几乎不会给被测系统带来干扰。 关键词：可靠性热载流子嵌入式测试 a b s t r a c t 一_ a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv l s i t e c h n i q u e s ，m o s f e t sc h a n n e ld o w nt ou l t r ad e e p s u b m i c r o nr e g i m c ，h o t c a r r i e re f f e c t s ( i - i c e ) i sm o r es e v e r e ，i nw h i c hh c e h a v eg r e a t e r i n f l u e n c eo nm o sd e v i c e sa n dc i r c u i t sr e l i a b i l i t y a n di tm a k e st h eh c e r e s e a r c hm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t s o ，s o m e s t u d yi sc a r r i e do u ti nt h i sd i s s a 气a t i o na sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dag e n e r a li n t r o d u c t i o no ni n t e g r a t e dc i r c u i th o t c a r r i e r r e l i a b i l i t ys t u d yo fd o m e s t i ca n d a b r o a d ，d i s c u s s i n g h o t c a r r i e rf a i l u r e m e c h a n i s mo fm o s f e t t h e n ，am e t h o do fd e s i g n i n gf o rh c e r e l i a b i l i t yi sd e e p l y s t u d i e d ，a n di t sv a l i d i t yh a sb e e np r o v e db yb e r t ，p r o v i d i n gar e f e r e n c ef o rd e s i g n i n g f o rr e l i a b i l i t yo fc m o s i n t e g r a t e dc i r c u i t s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fs t u d ya n dk n o w l e d g eo fh c em e c h a 【1 1 i s ma n dt e s t m e t h o d s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e da ne m b e d d e dr e a l t i m ep r e d i c t i o nm e t h o df o rh o t - c a l t l e rd e g r a d a t i o n ，a n di t sc o r r e s p o n d i n gt e s tc i r c u i ti sd e s i g n e db a s e do n0 35m i c r o n c m o sm i x e ds i g n a lt e c h n o l o g y t h ep r e d i c t i o nc i r c u i ti sc a p a b l eo fi s s u i n g aw a r n j n g s i g n a lw h e nt h ea m o u n to fh o t - c a r r i e ri n d u c e dt r a n s i e n tp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n e x c e e d sap r e - d e t e r m i n e dl i m i tv a l u e i to c c u p i e sa s m a l ls i l i c o na r e aa n dd o e sn o ts h a r e a n ys i g n a lw i t ht h ec i r c u i t su n d e rt e s t ( w i t ht h ee x c e p t i o no ft h ep o w e r s u p p l yv o i t a g e a n dp o w e r - o nr e s e t s i g n a l ) ，t h e r e f o r e ，t h ep o s s i b i l i t yo fi n t e r f e r e n c ew i t ht h e s u r r o u n d i n gc i r c u i t si ss a f e l ye x c l u d e d k e y w o r d s ：r e l i a b i l i t yh o t - c a r r i e re m b e d d e dt e s t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：一逮蓝 日期：坦仁噬 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：篮蛊日期： 翮虢谜 醐：半 第一章绪论 第一章绪论 随着v l s i 制造技术向超深亚微米方向迅速发展，m o s f e t 尺寸按比例缩小 的同时，为了与外部电路系统匹配，另一方面也是作为减小延迟的需要【1 1 ，器件 电压相对的降低要慢得多，沟道电场有明显增强，影响了器件的可靠性。热载流 子引起的退化被认为是影响器件性能以及限制器件尺寸缩小的主要的一种长期可 靠性因素之一f 2 1 。 1 1 相关背景及选题依据 目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表 的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎 和雄厚基石。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有强大的集成电路产业和技术已 日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保 障。 随着科学技术的发展，集成电路的使用日益广泛，在很多重要场合起着关键 作用。在国民经济各部门，集成电路芯片被广泛应用于测量、控制和数据处理等 领域，如其出现故障，特别是一些关键芯片的故障会对生产造成严重的影响，甚 至危及安全：各种电台、海底电缆、地下电缆、通信卫星等，是当代通信的重要 手段。海缆、地缆、通信卫星都要求能正常工作几年至几十年。如果这些系统出 现故障就会因为难于或根本无法修理而造成巨大的损失。 可靠性是集成电路产品的一个重要指标，在古代人类的生产工具、生活用品 都是比较简单的东西，它们的损坏和更换现象容易为人们所理解，可靠性问题尚 未形成专门的理论。电子技术出现的早期，这一问题仍不很突出，到了二十世纪 三四十年代，出现了比较复杂的电子系统。虽然依靠当时的技术这些复杂的电子 系统可以成批制造出来，其性能也可以达到当时的要求，但有些产品由于经常出 现故障而无法使用。例如有的雷达、水声等设备，就因为经常出现故障不得不处 于停机修理状态。因此人们不得不把很大的注意力放在研究可靠性理论和提高产 品可靠性的技术上。经过短短几十年时间，可靠性问题已经发展成为一门内容相 当丰富的学科。 随着微电子电路集成度的提高，电路变得越来越复杂，其可靠性问题也越来 越多，如：热载流子效应、栅氧经时击穿、电迁移、辐照效应、e s d ( 静电放电 保护) 、c m o s 电路的栓锁效应等。这些可靠性问题会影响器件的性能，有的甚 2 一 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 至会导致电路失效，从而阻碍集成电路的进一步发展，成为了集成电路产业发展 过程中所急需研究和解决的问题。其中热载流子退化是亚微米及深亚微米集成电 路最重要的失效机理之一，对器件及电路的可靠性有很大的影响，尤其是目前国 际上i c 已经进入超深亚微米时代，随着集成电路特征尺寸的变窄，使得热载流 子效应对于m o s 器件与电路可靠性的影响越来越大，对热载流子的研究变得越 来越重要。 传统的可靠性测控技术囿于“事后行动 的局限，已远远不能适应现代 v l s i 电路系统高复杂度、高密度发展趋势的需要，急待探索新的可靠性技术手 段。基于内建可靠性的设想，采取事前行动，对v l s i 电路器件进行可靠性模 拟，再将所得可靠性信息反馈到设计中去。但随着电路规模的不断增大，对于现 代的v l s i ，这种传统的可靠性模拟与仿真变得非常耗时，这与设计周期不断缩 短的需求相背离。同时器件特征尺寸的不断缩小又使得影响电路的失效机理越来 越多且复杂，使得对v l s i 可靠性的模拟仿真变得更加不精确。 本论文针对目前可靠性模拟、评价和测试方法中存在的问题，首先介绍了一 种片上实时热载流子退化的嵌入式测试电路，它克服了以往可靠性模拟、可靠性 估计的耗时而不精确的缺点，同时突破了离线测试无法测试被测电路实际的制造 工艺和环境因素对电路退化的影响的限制，然后对这种电路在新加坡c h a r t e r 0 3 5 微米m o s 工艺下，完成了电路和版图实现。 1 2 国内外状况 二十世纪八十年代，随着尺寸的不断缩小，器件内的电场大为增强，人们开 始认识到高电场下的热载流子问题的严重性。尤其是m o s 器件中热载流子对栅 氧化层的注入将产生界面陷阱及氧化层电荷，使器件的电学特性发生改变，极大 地影响了集成电路的长期可靠性及寿命。但当时对m o s f e t 热载流子问题的研究 仅限于物理机理及单个器件的热载流子效应，较有代表性的是b e r k e l e y 的s i h 键 断裂模型【2 】和i b m 的l d d 器件结构研究p 】。进入九十年代后，热载流子效应的 物理本质己经较为清晰，则研究集中体现在器件热载流子效应对集成电路的寿命 及可靠性影响，如b e r k e l e y 的用于集成电路可靠性的模拟软件b e r t l 4 及其商业 版本b e t a _ b e r t 。对m o s 器件中的热载流子退化寿命及可靠性的预测，己开始 进入了实用阶段。目前，国内外对热载流子退化的多种失效机理做了深入的研 究。 在可靠性评价方面主要是利用加速寿命试验及应力试验得到相关的测试数 据，基于可靠性和失效的分布模型利用外推法得到正常工作下的器件寿命。但随 第一章绪论 3 一 着器件尺寸的缩小，器件沟道区电场的极大增强，器件偏置在标准工作状态下的 时间变得很短，这样使得利用外推法来估计寿命的有效性变得越来越弱。 在可靠性仿真方面，开发出了如b e t a b e r t 的可靠性模拟器，它调用 s p i c e 仿真得到的电流电压数据以及工作占空因素等来计算电路的退化量以及电 路的退化程度的估计。但随着电路规模的增大，可靠性仿真的热载流子注入的建 模变得非常的耗时和不精确。同时市场要求设计周期越来越短，对各个工艺角和 工艺偏差都进行可靠性仿真变得非常困难。 在可靠性测试方面，大都是采用离线测试来得到电路的平均期望性能。但离 线测试无法将电路实际的工作环境因素考虑进去。 1 3 主要工作 由前两节的介绍可以看到，在传统的可靠性评价、可靠性仿真以及可靠性测 试等方面，一些传统的可靠性分析方法虽然能给出一个较好的电路可靠性设计指 导，但电路实际的工作环境千变万化以及制造工艺的分散性，这些方法显然无法 将电路实际的工作环境复杂性和制造工艺的分散性对电路可靠性的影响考虑进 去。 为了解决上述问题，本论文在深入理解热载流子效应失效机理的基础上，研 究和验证了c m o s 电路中的抗热载流子退化的电路设计方法，并对一种v l s i 热 载流子退化的嵌入式测试方法【5 】在新加坡c h a r t e t o 3 5 微米c m o s 混合信号工艺下 进行了电路设计、模拟仿真和版图设计。该热载流子测试电路可以嵌入到片上系 统中，它与主电路放置在一起。当系统的热载流子退化达到一个预先设计的界限 时，则产生一个指示信号，提醒用户更换器件，以免因此引起破坏性后果。同时 由于热载流子测试电路单元与主电路经历相同的制造工艺和环境参数，这样任何 影响主电路热载流子可靠性的工艺和环境参数都将施加在可靠性测试电路单元 上，从而克服了离线测试的局限性，达到实时在线测试的目的，具有良好的科研 和实用价值。 1 4 章节安排 本论文共分五章，各章安排如下： 第一章概述论文的研究背景及选题依据， 动态和本文的主要工作。 第二章介绍了集成电路中的可靠性问题， 并简要介绍了国内外相关科技发展 并深入的讨论了热载流子效应的机 4 一 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 理及其对电路性能的影响，并介绍了抗热载流子退化的器件和工艺方法。 第三章详细的讨论了c m o s 电路的抗热载流子加固的电路设计方法，并利用 可靠性模拟软件b e r t 对其有效性进行了仿真验证。 第四章详细分析和叙述了热载流子退化的嵌入式测试电路的设计原理和方 法，在对一种v l s i 热载流子退化预测电路介绍的基础上，完成了该嵌入式测试 电路在0 3 5 微米工艺下的电路设计、仿真以及版图设计。 第五章对全文进行了总结。 第二二章热载流子效应及其可靠性设计方法 第二章热载流子效应及其可靠性设计方法 在集成电路产业中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集 成电路产业的9 0 以上。正因为硅集成电路的重要性，各国都很重视因而竞争激 烈。同时正是由于硅集成电路的重要作用，加上人们对产品质量和可靠性要求的 不断提高，使得硅集成电路的可靠性评价和改进成为微电子产业发展中一个重要 的课题。越来越多的失效模式和机理得到了充分的重视。只有基于对失效机制的 充分认识，可靠性的评估和改善才成为可能。 m o s f e t 的热载流子效应是本文研究的主体。热载流子效应引起的退化是超 大规模集成电路中存在的主要可靠性问题之一【6 】。 2 1 集成电路中的可靠性问题 随着半导体技术的进步，i c 芯片进入到人们生产生活的方方面面，半导体器 件也从分立走向集成。现在一块i c 芯片的失效，不仅能影响到人民的生命财产 安全，有时还涉及到国家的政治声誉。国内外因为可靠性问题而引起的重大事故 和损失不胜枚举。例如1 9 5 7 年美国先锋号卫星因一个价值2 美元的器件失效，造 成价值数百万美元的卫星坠毁。因此，在集成电路产业迅速发展的同时，其可靠 性问题也越来越突出，逐步被人们所认识并得到密切的关注和重视。 按照一般的理解产品可靠性是指产品在使用过程中会不会出现问题或故障， 及由此引起的各种损失和危害。但这种定义并不严格，按照国家标准的定义，集 成电路和微电子器件的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成功 能的能力【7 】。这里规定的条件所指内容很广，包括产品的各种外部气候环境，也 可以是产品承受的一定的热、电等工作应力。规定的时间指所保证的时间，有时 也表示循环次数或者距离等。至于功能则随产品而异。从定义可以看出，可靠性 是与工作时间有关的。 可靠性具有统计规律，通常使用平均失效时间( m t t f ) 来表征电路和器件 的寿命。为了能使用实验的手段确定器件和电路的寿命，通常采用加速寿命实验 的方法，将器件置于高出正常值的应力条件下，得到器件的加速寿命，再根据具 体的退化机制，外推出正常工作条件下的器件寿命。这就要求对引起退化的物理 机制进行充分的研究。 传统的集成电路可靠性是通过制造过程结束以后的早期老化筛选实验来保证 一6 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 的，并通过加速应力实验来预测其寿命。这种方法周期长，花费高。现代的可靠 性评估和设计在各种退化的物理机制的基础上，建立精确的物理模型，在电路设 计完成以后，通过模拟获得电路的长期可靠性，如果模拟结果不满足设计指标， 可以通过对工艺、器件和电路设计的修改最终达到设计要求为止。 目前已经开发出了多种线路级可靠性模拟器，如b e r t 、r e l y 、h o r t o n 和i - p r o b e 等，这些模拟器大都建立在s p i c e 的基础之上。s p i c e 可以对线路节 点电压波形、电流波形和电压过冲进行精确的分析，然而它并不适合分析现代集 成了百万门以上的超大规模集成电路。在v l s i 中，每个器件由于位置、端电 压、端电流、占空比等的不同，而受到的电应力各不相同；另一方面，有些器件 即使退化量很大，但对整个电路性能的影响却可以忽略不计，而某些关键器件很 小的退化量就可能导致电路性能的巨大变化。这也就是说电路性能对各器件特性 的灵敏度是不同的。因此，可靠性模拟的一个重要任务是寻找那些会引起电路严 重失效的节点。而随着电路规模的剧增以及器件尺寸的缩小，使得对v l s i 的可 靠性模拟仿真变得非常的耗时而不准确。 由此可见，集成电路芯片的高可靠性是人们生活的需要，也是国民经济建设 的需要，更是国防建设的需要。而目前的可靠性分析和模拟技术有定的局限 性，迫切需要一种更适合现代超大规模集成电路的实时的可靠性测试技术，从而 确定产品的可靠性。 2 2m o s f e t 热载流子概述 从6 0 年代初期m o s 晶体管开始批量生产开始，人们发现氧化层中的电荷严 重影响着器件的产品率、工作的稳定性和可靠性。 目前普遍认为在s i s i 0 2 界面的s i 0 2 一侧存在四种电荷，如图2 1 所示。 ( 1 ) 固定氧化层电荷q f ：是指分布在s i 0 2 距离s i s i 0 2 界面小于2 5 n m 的氧 化层内的正电荷，它起源于硅材料在热氧化过程中引入的缺陷，它们都带有正电 荷。这种电荷的特点是，它不随外加偏压和硅表面势变化，与硅衬底杂质类型及 其浓度以及s i 0 2 层厚度基本无关。 ( 2 ) 可动电荷q m ：主要是s i 0 2 中存在的k + ，n a + 等正离子引起的。负离子 及重金属离子在5 0 0 以下是不动的，影响较小。其中钠性质活泼，在地壳中含 量大，生产中很容易因为人体、容器等的玷污以及化学试剂等引入n a + ，它在一 定温度以及偏压下可在s i 0 2 内部或者表面产生横向或者纵向的移动，调制器件的 表面电势，对器件的可靠性构成很大的威胁。 ( 3 ) 界面陷阱电荷o i 。：界面陷阱也叫快表面态或者界面态，起源于s i s i 0 2 第二章热载流子效应及其可靠性设计方法 7 一 界面的结构缺陷，氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的其他缺陷。这 些结构缺陷可接受空穴或者电子而带一定电荷，此即界面陷阱电荷。它可接受电 荷而调制硅表面势，造成器件参数的不稳定性。 ( 4 ) 氧化层陷阱电荷q m ：可以是正电荷，也可以是负电荷，取决于氧化层 陷阱中俘获的是空穴还是电子。这些被俘获的载流子来自x 射线等在氧化层中引 起的辐射电离，以及沟道内或者衬底热载流子注入。 q ：。今。q o (厶 厶 i + 、，+ 、+ 、，+ ，十+ 、，+ ，+ 、吖、，、l 1 q ；：、7 、7 、7 、7 、7 、7 、 图2 1s i 0 2 中的电荷 以上四种电荷除了在热氧化等生产过程中形成以外，在随后器件工作时也会 不断产生。本文研究的热载流子效应就是因为沟道或者衬底中的热载流子越过s i s i 0 2 势垒而进入氧化层中，在s i 与s i 0 2 的过渡区如能打断s i h 、s i o h 键或者 形成其它缺陷，即会生成q o t 及q 渺从而造成器件参数的不稳定性。影响器件的 性能。 2 2 1 热载流子效应 随着v l s i 制造技术向深亚微米方向迅速发展，在器件的沟道长度、结深和 栅氧厚度等尺寸等比例缩小和衬底浓度增加的同时，电源电压并未能随之等比例 缩小，这就导致沟道区的横向和纵向电场显著增加。热载流子在高电场下获得足 够的能量并翻越界面势垒( 对于电子注入为3 2 e v , 对于空穴注入为4 5 e v ) 注入 到氧化层中，产生氧化层陷阱电荷或者界面陷阱电荷，使氧化层电荷增加或波动 不稳，使器件的退化趋于严重【8 一。即使c m o s 技术采用2 5 v 、1 8 v 甚至1 2 v 电 源，由于电压的减少远比不上沟道长度的减小，漏区的高电场更加局部化、更加 增强，因此在超深亚微米时代热载流子问题仍然存在而且复杂了许多。 下面简要分析导致m o s f e t 热载流子可靠性问题的基本物理机制： 墨 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 1 2 3 4 5 su b s t r a t e 图2 2 热载流子效应引起m o s f e t 退化的物理机制 在短沟道m o s f e t 中的强横向电场作用下，晶体管沟道和夹断区的载流子达 到非平衡能量分布。这些热载流子的产生是多种可靠性问题的主要根源。 高能量的载流子在碰撞电离的过程中丧失一部分能量，并由电离产生的多数 载流子构成大衬底电流，碰撞电离产生的载流子同时作为注入衬底周围氧化 层的热载流子。 热载流子需要足够的能量来越过s i s i 0 2 界面或隧道的势垒从而进入绝缘层。 注入热载流子与绝缘层相互作用，它们的能量在绝缘层或界面中产生缺陷。 绝缘层中的缺陷导致器件参数的漂移。这种器件参数的不稳定性被看做是器 件长期可靠工作的主要障碍。 当热电子的能量高于s i s i 0 2 界面势垒将有可能翻越界面势垒，注入栅氧化 层，部分载流子最终到达栅电极而形成栅电流一部分。在热载流子通过栅氧化层 到达栅电极的过程中，热载流子会以其能量打开s i h 、s i o h 键等处于界面处的 键，在s i s i 0 2 界面产生受主型界面态，或被栅氧化层中陷阱所俘获而形成陷阱电 荷，这些产生的界面态和陷阱电荷会引起器件局部电场变化，从而导致器件特性 的退化，使电路性能随时间逐渐退化，最终引起器件及所在电路的功能失效，即 产生了热载流子效应。 m o s 器件热载流子效应有两种：沟道热载流子效应和衬底热载流子效应。 沟道热载流子如图2 3 ( 左) 所示，它是由沟道中在高场下运动的电荷及其 倍增电荷形成的。当源漏电压较高时，在漏结附近会形成水平方向上的高电场， 在高电场作用下，一部分载流子在水平运动中获得足以翻越s i s i 0 2 界面势垒的 能量，并且在受到弹性散射后会幸运地以垂直于界面的方向运动，且能量不受损 失；同时在高场下，漏结附近的碰撞电离作用也会产生高能热载流子并幸运地射 第二章热载流子效应及其可靠性设计方法 9 一 向界面，从而形成“幸运热载流子”【l 。它们在注入氧化层的过程中在s i s i 0 2 界面形成界面态，并有部分热载流子被氧化层中的电荷陷阱俘获，使器件性能退 化。 衬底热载流子如图2 3 ( 右) 所示，它是由衬底结的漏电流及其倍增电流产 生。在衬底纵向电场的作用下，这些载流子向s i s i 0 2 界面漂移，并在表面耗尽 区的高场中获得高能量。那些获得足够能量达到界面并翻越界面势垒的载流子被 注入s i 0 2 中，从而产生氧化层陷阱电荷和界面陷阱，导致器件特性发生退化。衬 底热载流子产生的氧化层损伤是沿沟道均匀分布的。 图2 3 沟道热载流子效应( 左) 和衬底热载流子效应( 右) 在器件尺寸进入亚微米、超深亚微米范围后，大部分衬底热载流子在到达表 面前就在沟道横向电场的作用下进入源区和漏区，使衬底热载流子效应大大减 弱，所以对深亚微米m o s 器件退化起主要作用的是沟道热载流子效应。 同时当器件的沟道长度缩小到0 2 5 微米以下的时候，p m o s 从埋沟器件 ( b u f f e d c h a n n e l ) 变为表面沟道器件( s u r f a c e c h a n n e l ) ，而n m o s 器件还保持着同 样的退化机理，但p m o s 的热载流子退化机理则由氧化层中的电子捕获( e l e c t r o n t r a p p i n g ) 变为界面态产生，从而p m o s 的驱动电流在热载流子应力之后也将减 小，它的最坏应力条件也由峰值栅电流变为峰值衬底电流，使得0 2 5 微米以下的 器件中，p m o s 老化使电路速度减慢，但同时研究发现此时p m o s 的退化速率与 n m o s 相比可以忽略。 可见，随着集成电路器件工艺进入深亚微米时代，热载流子退化对电路性能 的影响更加严重。对深亚微米器件中的热载流子效应的研究必须高度重视。 2 2 2 器件退化 近十几年来，研究者对n m o s 和p m o s 器件的热载流子退化机理进行了广泛 的研究。 一1 0 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 研究表明，沟道特别是漏端附近的强电场引起的热载流子效应在栅氧化层中 形成电荷陷阱，造成栅氧化层的损伤以及在形成界面态造成硅与二氧化硅界面的 损伤，从而使n m o s 的驱动能力下降，并影响阈值电压，线性区跨导，饱和区驱 动电流等参数。器件特性的降低主要是由电荷陷阱或界面态造成的。当n m o s 经 过长时间的应力实验之后，常常能观察到一个净的负电荷密度。如图2 4 ，在施加 热载流子应力之后n m o s 的驱动电流通常会减小，而p m o s 的驱动电流会增大， 但在0 2 5 微米以下的器件中p m o s 的驱动电流由增加变为减小，这就加剧了其可 靠性问题。 乏 - ， j 屹彻肿 图2 40 2 5 微米工艺n m o s ( 左) 和p m o s ( 右) 热载流子应力前后驱动电流的变化 尽管目前有些电路的电源电压已降低到1 8 v 或更低，但随着器件尺寸的继续 缩小，沟道电场仍有明显增加的趋势，热载流子问题仍然是亚微米和深亚微米集 成电路的主要限制因素之一。 2 3 m o s 器件工艺可靠性技术 通过前面的分析可见，热载流子对m o s 器件是固有存在的。随着器件尺寸 的缩小变得更严重。减小热载流子效应对进一步缩小尺寸的器件保证可靠工作很 重要。于是针对热载流子退化的器件结构和工艺加固设计成为集成电路可靠性设 计的重要研究内容。 通过对m o s 热载流子效应的深入了解和分析，可知抑制热载流子效应主要 从以下方面考虑： ( 1 ) 从器件结构考虑，器件特性退化的根源在于漏端附近的 强电场，因此已经广泛采用所谓的“漏极工程”，即引入降低电场的结构，如轻掺 杂漏或双扩散漏等器件结构减小强电场对器件的破坏作用，延长器件寿命【l l - 1 3 1 ； ( 2 ) 从工艺方面考虑，界面态和氧化层陷阱的产生直接由栅氧化层质量所决 第二章热载流子效应及其可靠性设计方法 定，故对栅氧化层进行加固，如掺f 、c i 等，可以降低产生的缺陷密度，提高器 件的可靠性i ”】：( 3 ) 从电路设计考虑，建立抗热载流于退化的电路结构，这 将在第三章中重点阐述。 2 3 1 器件结构设计 所谓漏极工程( d r a i ne n g 证e m n g ) ，即是通过调节漏极的掺杂分布来降低漏跗 近的高电场n ”。通过降低漏与衬底之间的杂质浓度梯度，器件饱和区内的横向电 场可以大大降低，从而引入了在漏边界增加低掺杂的n 型区以减小峰值电场的所 谓d d e l ( d o u b l ed i f f u s e dd 以及l d d ( l i g h t l yd o p e dd i 结构鲫，由于栅 氧化层的注入电流与电场成指数关系相应的热载流子效应将太大降低。 自对准轻掺杂漏( l d d ) 结构，最早于7 0 年代提出，目的是减少小尺寸 m o s 器件的热电子注入问题。它的主要思想是利用栅外面的n 型扩散区使部分电 压降于此区域。影响l d d 结构器件有效性的关键参数是n _ 轻掺杂区的长度和掺 杂浓度。区分哪一种掺杂浓度和哪一种工艺最佳，主要是控制这两个参数的能力 以及工艺步骤的复杂程度。 近年来l d d 结构参数进行了广泛研究并取得成功，对于减小村底电流、提 高击穿电压方面都很成功。l d d 结构虽对降低沟道峰值电场( 从而降低衬底电 流) 很有效，但串联电阻增加，会引起器件退化。这是因为l d d 区只有中等剂 量，很容易由于热载流子注八氧化层陷阱或者界面态造成耗尽。如耗尽层扩展到 栅外而脱离栅控制，不能形成电荷薄层，l d d 区电阻率增加。此外，由于热载流 于注入可发生在l d d 器件栅之外，那里的栅氧质量不够好，会导致更多电子被 复活或感应出界面态。 g t r t e 五舀盈叠 圈2 5 轻掺杂漏结构 为了进一步改进l d d 特性，己提出一些改进结构，目的是解决和改善器件 退化问题。 ( 1 ) m l d d 结构( 中等掺杂l d d 结构) 目的是克服栅不能控制问题，采取掺杂浓度比l d d 高使峰值电场位置处在 v l s i 热载流子退化的嵌 式测试拉术研究 栅控制区内。这时村底电流比标准l d d 大些，i 1 剂量高一些也可保证没有外沟道 夹断效应，电流驱动能力比标准l d d 大。浓度较高带来的问题是栅漏覆盖电容 较大。 g a t e 竺壁苎! 竺! 曼 一弋 塑! ! 曼! ! 曼 孓： w d 一 国2 , 6l d d 和m l d d 结构 ( 2 ) i t l d d 结构饭向t - l d d ) 结构 目的与m l d d 相同，方法是将栅覆盖于整个l d d 区，确保峰值电场在栅控 制之下，同时可消除较差点介质的影响。缺点是覆盖电窖较大，横向扩教较长， 对高速电路不利。 g a 瞳e 图27i t m l d d 结构 ( 3 ) p l d d 结构 可用来消除外沟道夹断效应，具体方法为在订磷注入后外加剂量为l x l 0 1 4 c m - 2 的砷注入。外沟道区掺杂浓度足够高保证不会因热载流子产生电荷而耗尽。此结 构得到的结构退化因子减小。 g a t e 图2 8p l d d 结构 另外还有b l d d ( 埋层a sl d d ) 等改进结构。由于l d d 结构只考虑轻掺杂漏 区的长度和掺杂浓度，随着器件尺寸减小至0 5 微米以下，跨导漂移和击穿电压 的问题就暴露出来。于是还可以利用强栅漏覆盖效应来实现高的可靠性、好的工 作特性和高的击穿电压来对l d d 结构进行优化。 第二章热载流子效应及其可靠性设计方法 常规d d d 是在倒墙形成前后分别注入i 磷和n - 砷。现在采用在侧墙形成后 进行n 、一注入。轻掺杂区由快磷扩散形成，一由a s 慢扩散形成。 g e t e 置露墨霸匠冒盈 三 图2 9d d d 结构 这种结构不能独立控制掺杂浓度和缓变区长度，因而限制了对电场的抑制 但对于沟道长度犬于l 微米的器件是成功的，村底电流的减小因子为4 - 6 。 2 3 2 工艺设计方法 从工艺加固考虑。可以采用特殊的工艺手段使栅氧化层加固，从而减少注入 电流引入的界面态和载流子陷落。 由熟载流于效应的机理可知要提高器件的可靠性一方面可以从器件结构入 手，透过降低器件内部电场使栅氧化层的注入电流减小；另一方面还可以采用特殊 的工艺手段使据氧化层加固，从而减少注入电流引入的界面态和载流子陷落。研 究表明s i - h 键是界面态韵主要产生中心。在半导体表面暴露于氢气的高温处理工 艺过程中，部分s i - s j 键和s i - o 键将被打断，s i 或o 原子被氢原子所替代。因 此，要提高氧化层的抗热载流子性能应使氧化在尽可能干燥的气氛中进行阱】，同 时在氢气氛中的退火温度不应超过4 0 0 | c 。 若要采用特殊工艺来对栅氧化层进行加固，可以通过在氧化气氛中加入少量 的f 或c l 或者在栅中注入该类元素并外扩散到栅氧化层中【2 9 】，这类元素对氧化 层加固的原理在于其降低了s i 0 2 结构的机械应力，使其产生界面奋的几率降低。 况且，f 原子还可把o 原子向界面的方向排挤，从而提高了界面的质量。 近年的研究表明，通过在n 2 0 气氛中对栅氧化层氮化可以加固s i s i 0 2 界 面从而减少热载流予注入刚，这是由于氮化可以降低界面机械应力，且通过形 成s i o x n ，使得s i - o 键由更为坚固的s i - n 键所代替。栅氧化层的n 2 0 氮化工艺与 普通氧化工艺相比，器件小信号增益退化将降低近一个数量级，说明该栅氧化层 加固工艺具有良好的抗熟载流子退化效能。 从电路设计考虑也是一个非常重要的方面和方法，这将在下章进行详细的阐 述和分析。 一1 4 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 2 4小结 本章首先介绍了集成电路中存在的可靠性问题及其重要性，指出了对集成电 路中的可靠性问题进行深入研究的必要性和紧迫性。 然后介绍了限制集成电路器件尺寸缩小的主要限制因素热载流子效应的 原理和物理机制及其对可靠性和电路性能的影响。 最后介绍了m o s 器件抗热载流子退化的工艺可靠性技术，如l d d 结构和改 进的l d d 结构，d d d 结构等以及采用特殊的工艺手段使栅氧化层加固的方法。 第三章c m o s 抗热载流子电路设计技术研究 第三章c m o s 抗热载流子电路设计技术研究 通过前面章节对m o s f e t 热载流子效应的了解和分析，可知抑制热载流子效 应主要可以从器件结构、工艺加固和电路设计三个方面考虑。器件结构和工艺方 面的抗热载流子加固设计方法在2 3 节中已经做了简要的介绍，本章重点从电路 结构上来考虑。热载流子效应引起的器件性能退化将导致电路性能退化并最终使 电路失效，因而可以从电路结构的改进入手，建立抗热载流子退化的电路结构， 使整个电路具有抑制热载流子退化的功能【1 6 】【1 7 】。 3 1c m o s 抗热载流子电路设计原理 器件的热载流子退化是由于沟道漏极附近的高电场引起的热载流子注入氧化 层陷阱及产生界面态所造成的。热载流子注入诱生的s i s i 0 2 界面态是热载流子 效应的主要体现，也是引起器件退化的关键因素，但界面态难以精确测定和模拟 【1 9 1 。而m o s 管的热载流子效应将产生衬底电流l 6 ，因而衬底电流与热载流子退 化产生于同一机理，衬底电流的的大小体现了热载流子效应的强弱，现已普遍把 其作为监测m o s f e t 器件热载流子退化及寿命预测的主要手段1 2 0 】。为了分析衬 底电流与偏压的关系，重写由t a m 等提出的如( 3 1 ) 所示的衬底电流模型 2 u ： 彳厂d ，、 k = 詈( 纥一，) l de x p | - 丁鼍卜f ( 3 1 ) d f ，出一y 如， 式中彳f ，b ，为物理常数，厶为饱和区特征长度，l 6 和历为衬底电流和漏电 流，玩为漏电压，为饱和漏电压。由( 3 1 ) 式可见，衬底电流厶曲与( 一 口f ) 呈指数关系。因此，晶体管工作时不进入饱和区或减小沟道上的电压都可以 有效减少热载流子效应导致的器件和电路退化。 晶体管工作在饱和区时才会发生h c e l 2 2 】。对c m o s 电路来说，在开关过渡状 态才发生热载流子退化，门输出的转换越频繁，即时钟频率越高晶体管的热载流 子退化越严重；同时，热载流子退化也和晶体管处于饱和区的时间长短有关，也 就是说h c e 退化和输入的转换速率和负载电容大小有关| 2 3 1 。较慢的转换速率和 过高的负载电容会引起较宽的衬底电流时间跨度，从而导致更大的退化。 从电路结构设计考虑，与非门中的n m o s 管比或非门中的n m o s 管退化程 度小，正是因为n m o s 管串联时降低了每个管子上的，从而可以考虑将或非 逻辑改为与非逻辑。 i6 v l s i 热载流子退化的嵌入式测试技术研究 针对与非逻辑，由于顶端n m o s 管承受高漏源电压的时间最长、应力最大， 因而最容易发生热载流子退化，于是可以得出以下几种抗热载流子退化的电路设 计方法： ( 1 ) 在输出节点与顶端n m o s 管之间加入一个常开n m o s 管，当输出为高 电平时，输出高电平加在常开管和所有串联的n m o s 管上，由于常开管的分压， 顶端n m o s 管上的漏源电压就会降低； ( 2 ) 通过在输出节点和n m o s 晶体管串连块之间插入一个自举n m o s 管晶 体管，由于这个器件的漏源压降吸收了很大比例的输出节点电压，热载流子对其 它晶体管的应力得到了缓解； ( 3 ) 在退化严重的m o s 管上串联一个栅源短接的m o s 管，通过它的饱和 导通时的饱和压降来减少m o s 管漏源电压，从而降低其热载流子退化。 3 2c m o s 抗热载流子电路设计的模拟验证 为了验证上节提出的电路设计方法的有效性，本文采用专用的集成电路可靠 性模拟软件b e r t 对相关电路设计做可靠性模拟验证。 b e r t ( b e r k e l e yr e l i a b i l i t yt o o l s ) 是美国加州大学伯克莱分校开发的著名的 电路可靠性模拟软件，其中的c a s ( c i r c u i ta g i n gs i m u l a t o r ) 模块即是基于衬底电 流和栅电流的m o s f e t 电路寿命模拟器【2 4 】。由于热载流子效应引起的器件和电 路性能的退化是一个长期积累的过程，为了量化电路中每个m o s 器件所受的热 载流子应力，b e r t 引入了一个新参数“a g e 来描述电路工作期间每个器件的 退化程度。a g e 是器件受热载流子应力的量度，它是器件偏置电压和时间的函 数，对于n m o s ，a g e 的表达式如( 3 - 2 ) 所示。 么= 0 强时6 出 ， 删6l 气j r 叫 其中为沟道宽度，如为漏源电流，岛6 为衬底电流，风、m 6 为与衬底电流 有关的退化参数。p m o s 若同时考虑衬底电流与栅电流的作用，引入权重系数耽 和呀+ 忙1 ) ，则a g e 为 彳= 睨强出+ 吸隆出 p 3 ， 诸如漏电流、阈值电压等器件参数的退化为参数a g e 的函数： a d = f ( a g e )( 3 - 4 ) 第三章c m o s 抗热载流子电路设计技术研究 旦 其中a d 为受电应力前后参数的漂移( 、g 。g 肌、出，出) ，函数 厂可由实验得出。则退化量a g e 为： a g e = f 叫( a d )( 3 5 ) 一般通过a d 来衡量m o s f e t 的退化特性，且定义器件寿命f 为其参数 、踟、如的退化达到某一失效标准( 如v t h = 1 0 m v 、a g 。g 。= 1 0 、 峨屯= 1 0 哟时所施加的应力时间，将( 3 5 ) 代入( 3 2 ) ，( 3 - 3 ) ，即可得到热载流 子应力下n m o s 的寿命 和p m o s 的寿命： r 盼汩嘲6 ( 3 - 6 ) f 【管j - 以厂1 ( 曲) 【芳j ( 3 - 7 ) 7 以上讨论了b e r t 基于衬底电流和栅电流模型的器件寿命算法，将这些模型 嵌入到s p i c e 模拟软件的前处理器和后处理器中，则可以计算出电路在正常工作 状态时每个器件的使用寿命，以及各器件所受到的热载流子应力a g e 参数。 b e r t 在模拟时，电路中器件的交流( a c ) 应力被处理为许多很短的直流( d c ) 应力积累组成。在电路模拟周期内，b e r t 利用电路模拟程序s p i c e 得到每一步 时间步长内器件的端电压、电流波形，然后通过后处理得到每一时间步长内的衬 底电流、栅电流，利用器件退化与衬底电流和栅电流的关系( 3 2 ) 、( 3 3 ) 积分得到 电路中每一器件在模拟周期内的退化量a g e