（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米pmosfet器件nbti研究.pdf

摘要 摘要 本文主要针对超深亚微米p m o s f e t 中的n b t i 效应进行了深入研究，基于 v i r t u o s o 软件平台，完成了n b t i 钡j j 试芯片的版图设计，并在和舰科技参加特征尺 寸为0 1 8 “m1 p 6 mc m o s q - 艺的m p w 流片；参考大量国内外文献，设计出了n b t i 试验方案，并对n b t i 试验相关问题进行了深入讨论；通过对试验结果的分析，进 行了n b t i 效应的失效模式和失效机理研究，n b t i 寿命相关因素研究，n b t i 和h c i 混合效应的研究，最终实现了n b t i 效应以及n b t i 和h c i 混合效应的可靠性寿命评 价。 利用制作的n b t i 测试芯片和设计出的n b t i 试验方案，分析了n b t i 效应对 p m o s f e t 器件特性及参数的影响，不同的器件参数随n b t 应力时间漂移，n b t 应 力和p m o s f e t 器件参数对阈值电压漂移量a v 。h 的影响，研究表明n b t i 效应使得器 件i v 特性变差和器件参数漂移，不同的器件参数遵循n = 0 2 7 - 0 2 9 的小数幂函数 关系，其中v 。h 退化最为严重，因此将v t h 作为寿命评价的标准，n b t 应力增强和 p m o s f e t 器件结构参数缩小都会使器件的阈值电压v t h 漂移增强。 采用阈值电压漂移量v t h 作为器件寿命评价的标准，研究结果表明p m o s f e t 的n b t i 寿命主要与应力时间t ，应力温度t ，负栅压应力v 路，器件结构参数如沟道 宽度w ，沟道长度l 有关。基于试验测量的结果，得到了阈值电压漂移量a v t h 的寿 命评价表达式，用来预测器件中由n b t i 效应限制的寿命。 对n b t i 和h c i 混合效应进行了大量试验，试验结果表明p m o s f e t 器件阈值电 压v t h 和饱和漏极电流i d ；。随应力时问退化的斜率大于单独n b t 应力下的退化斜率， 说明器件参数的退化是由n b t i 机制和h c i 机制共同作用的；利用n b t 应力引起的 a v 。h 与沟道长度l 无关的特性，分解出了n b t + h c 应力下的h c i 效应对v 。h 的贡献； 利用n b t + h c 应力下a v l h 与饱和漏极电流退化率i d ；。成线性关系的特性，以i d 。 作为评价标准，得出了n b t i 和h c i 混合效应的评价表达式。 关键词可靠性：寿命评价；n b t i ；h c i ；阈值电压 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h en b t id e g r a d a t i o np h e n o m e n aa n dm e c h a n i s m i nu l t r a - d e e ps u b m i c r o np m o s f e t b a s e do nt h es o f t w a r ep l a t f o r mv i r t u o s o ，l a y o u t o fn b t it e s tc h i p sa r ed e s i g n e d ，a n dj o i n e d0 18 i _ t m1p 6 mc m o sm p wf l o wi n h e j i a n ；al o to fr e f e r e n c e sa th o m ea n da b r o a da r er e a d ，a n dn b t it e s tp r o j e c ti s d e s i g n e df i n a l l y ，t h e ns o m ep r o b l e m sa b o u tn b t it e s tm e t h o da r ed e e p l yd i s c u s s e d ；o n t h ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t s ，f a i l u r em o d ea n df a i l u r em e c h a n i s m ，n b t il i f e t i m ef a c t o r s ， c o u p l ee f f e c t so f n b t ia n dh c i a r er e s e a r c h e d ，r e l i a b i l i t yl i f e t i m ee v a l u a t i o nf o rn b t i e f f e c ta n dt h ec o u p l ee f f e c t so f n b t ia n dh c ia r ef i n i s h e da tl a s t u s i n gt h en b t it e s tc h i pa n dt e s tp r o j e c t ，t h ei n f l u e n c eo np m o s f e td e v i c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r sb yn b t ie f f e c t ，v a r i o u sd e v i c ep a r a m e t e r ss h i f tv s n b t is t r e s st i m ea n dt h ei n f l u e n c eo nt h r e s h o l dv o l t a g es h i f ta v t hb yp m o s f e t d e v i c ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d ，r e s e a r c hi n d i c a t et h a tp a r a m e t e r so fp m o s f e t c a n b e s h i t t e dc o n t i n u a l l ya n dd e v i c ei - vc h a r a c t e r i s t i c sg r o ww o r s e n ，t h es h i f to fd i f f e r e n t d e v i c ep a r a m e t e r sf o l l o w e dt h ep o w e r - l a wr e l a t i o n s h i p ( n = o 2 7 - 0 2 9 ) w i t hn b t s t r e s st i m e ，v t hh a st h em a x i m u ms h i f t sa n dn e e dt oa c ta sk e yp a r a m e t e rf o rl i f e t i m e p r e d i c t i o n t h ei n c r e a s eo fn b t s t r e s sa n dt h es c a l i n go fp m o s f e td e v i c es t r u c t u r e p a r a m e t e r sb o t hm a k ea v t hw o r s e u s i n ga v t ha st h ec r i t e r i o no fd e v i c el i f e t i m ee v a l u a t i o n ，r e s e a r c hi n d i c a t et h a t p m o s f e tn b t il i f e t i m eh a v er e l a t i o n s h i pw i t hs t r e s st i m et ，s t r e s st e m p e r a t u r et ， n e g a t i v eg a t ev o l t a g ev g s ，c h a n n e lw i d t hw a n dc h a n n e ll e n g t hl b a s e do nt e s t m e a s u r er e s u l t s ，a v t hl i f e t i m ee v a l u a t i o ne x p r e s s i o ni sg o t t e n ，w h i c hc a np r e d i c td e v i c e l i f e t i m eb yn b t ie f f e c t b a s e do nal o to fe x p e r i m e n t sf o rc o u p l ee f f e c t so fn b t ia n dh c i ，r e s e a r c h i n d i c a t et h a tt h ed e g r a d a t i o ns l o p e so fv t ha n di d s a lw i t hs t r e s st i m ea r eb i g g e rt h a n s l o p e su n d e rn b t s t r e s sa l o n e ，w h i c hm e a n st h ed e g r a d a t i o no fd e v i c ep a r a m e t e r sa r e c a u s e db yb o t hn b t ia n dh c im e c h a n i s m m a k i n gu s eo fc h a r a c t e r i s t i c so fa v t hh a s n or e l a t i o n s h i pw i t hc h a n n e ll e n g t hl ，t h ec o n t r i b u t i o no fh c ie f f e c tf o ra v t hu n d e r 广东t 业人学t 学硕l j 学f 征论义 n b t + h c is t r e s si sd e c o m p o s e d m a k i n gu s eo fc h a r a c t e r i s t i c so f v t hh a sl i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t h i d s a lu n d e rn b t + h c is t r e s s ，u s i n gb s a ta st h ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n ， t h ec o u p l ee f f e c t so f n b t ia n dh c il i f e t i m ee v a l u a t i o ne x p r e s s i o ni sg o t t e n k e yw o r d s r e l i a b i l i t y ；l i f e t i m ee v a l u a t i o n ；n b t i ；h c i ；t h r e s h o l dv o l t a g e l v 独创惟声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 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，特此声明。 一：名、鸯 指导刻醛字7 ：心， 加曙年夕月y o f l 6 7 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 1 1 1 微电子器件和集成电路可靠性的发展 在人们的日常生产和技术活动中，经常会涉及到产品的可靠性问题。按照一 般的理解，产品的可靠性是指产品在使用过程中会不会出现问题或发生故障，从 而引起各种损失或危害，这种说法不够严格。按照国家标准的定义，可靠性是指 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。这里规定的条件所 指内容很广，可以是产品的各种外部气候环境，也可以是产品承受的一定的热、 电工作应力。进一步详细叙述时，可能会涉及其标准条件、最坏条件等。规定时 间一般指所保证的时间，有时也表示次数、循环数或距离等。至于功能则随产品 种类而异，重要的是要明确定出其功能故障的判断标准。从这里可知，可靠性是 与工作时间有关的【t 】。 随着现代科技的飞速发展，各种功能全面、结构复杂的电子设备纷纷涌现， 应用于社会的各个角落。从人们的日常生活到国防军工，都离不开电子设备。但 是，随着电子设备复杂度的提高，它的可靠性日益成为人们关注的焦点。电子设 备是由各种集成电路芯片连接而成，而小小的一块芯片是由成千上万、甚至是上 百万个基本器件构成，一旦其中的一个器件失效，其它的器件就会受到过量的压 力，导致芯片的失效。所以，根据串连原理，一个系统的寿命是由其寿命最小的 器件的寿命决定。因此，器件的可靠性对于系统的可靠性起着决定性作用。要使 复杂电子系统能够在苛刻的环境下长期工作，关键在于提高其微电子器件的可靠 性。 随着半导体器件的工艺水平不断提高，器件的短期失效正得以克服，而其长 期i 叮靠性作为一个突出的问题摆n ：眼自订。人们总是希望电子系统可以长期稳定地 工作，基本上不允许出现失效及故障。如太空中运行的卫星，需要在恶劣的环境 中运转几年而不能出问题，否则其，j i 起的损失会难以估量。而臼f j 订我国的电子产 广东t q k 人学t 学顺i j 学位论文 品和国外同行相比，竞争力有限，主要原因是因为在产品质量上还有定差距， 归根结底，还是器件的可靠性不过关。因此，提高微电子器件的长期可靠性是急 需要解决的一个问题。 九十年代以后，大规模集成电路工艺的发展仍然遵循麾尔定律所预言的发展 速度急剧增加。集成电路技术目前已发展到甚大规模阶段u l s i ( u l t r al a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，即每个芯片所含的晶体管数已超过2 亿个，其微细加工工艺 已到达超深亚微米级，见表1 1 。器件性能则向着高速、低功耗发展。s i a ( s e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 在9 5 年就曾预测未来5 年内互连线的发展趋 势是：集成电路i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的特征尺寸将达到0 0 7p m ，线宽0 0 8p m ， 布线嘲距o 1 2p m ，介质厚度o 。5 0b m ，电源电压将降到l 伏，工作频率将达到 1 1 g h z 。表1 1 为世界集成电路技术发展预测，而实际的发展已突破了这一预测。 就c p u 焉言，第一代w i l l a m e t t e 核心的p e n t i u m4 只有4 2 0 0 万个晶体管，转变到 n o r t h w o o d 核心之后提高到5 5 0 0 力- 个，而到了p r e s c o t t 核心，晶体管总数达到l 亿2 5 0 0 万个，两i n t e l 新一代c o r e 微架构移动处理器m e r o m 的晶体管数量已经 达到2 9 l 亿个。集成电路大规模生产工艺已达到了1 2 英寸( 3 0 0 毫米) ，6 5 n m 的 水平，蔼各大芯片制造商汇在准备建立1 8 英寸( 4 5 0 毫米) 晶蹋厂，i n t e l 、a m d 等 公司开始实施4 5 n m 制造工艺。 表1 - 1 书界集成电路技术发展趋势 t a b l ei - 1w o r l dt r e n d si nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y 年份1 9 9 5 1 9 9 82 0 0 王2 0 0 4 2 0 0 7 2 0 l o d r a m 的最小线宽p m o 3 50 2 5o 1 8o 1 30 0 90 0 7 d r a m 位数6 4 m2 5 6 ml g4 g1 6 g6 4 g 微处理器的晶体管数 4 m7 m1 3 m2 5 m5 0 m9 0 m 连线层数 4 555 666 7 7 8 芯片面积m m 21 9 02 8 04 2 06 4 09 6 01 4 4 0 石毫片直径m m 2 0 02 0 03 0 03 0 04 0 04 0 0 由一| 二器件尺寸不甑缩小使器穸 ：数襞不断增加，改进了电路功链，使电路r 趋 复杂，惭呵靠性问题也同益显得瞩嘤。i c 的应用已渗入到幽民经济各部门，相应 的l c 的西靠性也冀益显褥迫切；瞧要。现在一块电路的失效，不仅熊影响到人民 的生命财产安全，有时还会涉及剑家的政治声誉。例如1 9 5 7 年荚圈先锋号卫星 第一章绪论 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原地坠毁。国内外有 许多这样的由可靠性引起事故的严重事例。因此，在微电路发展的同时，其可靠 性也逐步为人们所认识，并得到密切关注与重视。从事科学技术工作的人员，就 应提高认识，重视可靠性工作，采取各种措施，提高所开发的产品的可靠性，防 止事故的发生。 来自技术和市场的驱动要求可靠性不断提高，超大规模集成电路可靠性研究 日益受到人们所关注。u l s i 超大规模集成电路中的可靠性问题受到u l s i 设计能 力与应用环境，器件和互连工艺技术等发展的不断影响。器件发展趋势是特征尺 寸l 和氧化层厚度t o 、不断减小，器件结深减小但结深和特征尺寸比值的增加， 阈值电压v t h 减小但阈值电压v t h 和电源电压v d d 的比值增加，器件中二维效应不 断增强z 】。互连技术发展中低的互连电容要求使用低k 介质，低电阻率和大电流密 度要求使用新的金属化系统，诸如c u 互连等。u l s i 超大规模集成电路的迅猛发 展使得新型器件结构、材料和工艺不断引入；集成度的提高和器件尺寸的缩小导 致了器件内部电场和电流密度的不断增加以及对缺陷敏感度的大大增加；新的应 用领域要求器件拓展其工作领域工作在高压、高温、强辐照、高频和大功率等恶 劣条件下，这都使u l s i 可靠性领域不断面临新的挑战。 半导体技术的飞速发展对微电子器件和集成电路的可靠性带来了严峻挑战， 集成电路设计和制作工艺的很多方面经历了剧烈的变化，威胁到了人们对长寿命 和高可靠性产品的期望要求，在产品复杂度和性能都已经增加的同时，新材料、 新工艺和新设备的出现以及电源电压的不断减小，对芯片的功率、面积增大和封 装复杂度都带来新的可靠性挑战。产品成本和性能需求也从根本上受到了影响， 其许多方面也被可靠性要求所限制。同时，集成电路可靠性的发展趋势也因此发 生了剧烈变化：第一，可靠性标准和加速寿命测试条件继续变窄，减小了加速度 因素；第二，增加设备的复杂性，而且使得模拟和仿真产品在加速寿命测试中的 有效预测变得极其昂贵甚至不可能。因此，产品级的可靠性测试功效甚至能力都 迅速的降低。随着市场需要继续把产品性能推向它的技术极限，性能和寿命的权 衡必须适应市场的不同需求，不再有一个单一的产品满足所有的稳定可靠性和性 能极限边缘的应j l i t l l 。 由此叮见，i ，丁靠性问题始终伴随着半导体器件与大规模集成电路的发展和应 用，加强埘半导体器件与集成电路的町靠性分析、模拟、评估和改进l 二绛成为超 大规模集成电路发展中的重要课题。面对众多且复杂的可靠性问题，如何寻找其 发生的内在机理，进而消除这种可靠性隐患是电路设计者和生产者必须面对的问 题。超大规模集成电路技术的发展要求研究可靠性对器件和工艺变化的敏感程度， 分析在新工作范围内出现的新型可靠性机制，消除过多的可靠性余量设置，增加 对可靠性预测的模拟等。 1 。1 2n b tl 效应成为u l sl 的主要可靠性问题之一 u l s i 超大规模集成电路可靠性涉及的范围很广，其中关于器件可靠性目前的 研究领域主要集中在以下几个主要方面：( 1 ) 晶体管( t r a n s i s t o r ) - 靠性；( 2 ) 介质 ( d i e l e c t r i c s ) u - i 靠性；( 3 ) 静电损伤和闩锁( e s da n dl a t c h u p ) ；( 4 ) 互连( i n t e r c o n n e c t ) 可靠性；( 5 ) 器件，工艺及工艺集成( d e v i c e ，p r o c e s sa n dp r o c e s si n t e g r a t i o n ) 可靠性； ( 6 ) 组装和封装( a s s e m b l ya n dp a c k a g i n g ) 可靠性；( 7 ) 复合器件( c o m p o u n dd e v i c e ) 可 靠性等，其中u l s i 超大规模集成电路中晶体管( t r a n s i s t o r ) 可靠性主要包括负偏置 温度不稳定性州b t i ，n e g a t i v eb i a st e m p e r a t u r ei n s t a b i l i t y ) ，热载流予注a ( h c i ， h o tc a r d e ri n j e c t i o n ) 以及器件尺寸按比例缩d , ( s c a l i n g - d o w n ) 后出现的可靠性阀题 等。过去针对h c i 效应的研究较多，而对n b t i 效应的研究较少，n b t i 效应没有 彳导到足够的关注。随着器件尺寸和栅氧厚度的不断缩小，n b t i 效应引发的退化越 来越严重，有人预测在器件栅氧厚度t 0 。 3 5 n m 后，n b t i 效应将超过其他各种因 素的影响，成为器件寿命的主要影响机s j j t , j ，在低电场强度下薄栅氧中的n b t i 效 应比h c i 效应更严重，n b t i 效应将成为器件寿命限制的最终因素。从国际可靠 性物理年会i r p s 的论文集中可以看出，从2 0 0 3 年丌始，研究n b t i 的论文明显 多于h c i 。 n b t i 效应是指发生在施加高温和负栅压偏置应力下的p m o s f e t 中的种 效应，它导致了闽值电压v 。h 的漂移、漏极饱和电流i d 鞠。和跨导g m 的下降。典型 的偏置条件为温度在t 黧1 0 0 2 5 0 的范围内，栅氧电场强度e o 。 6 m v c m ，源极、 漏极和衬底均接地，如图1 1 所示。产品的老化过程以及些正常工作的商性能 l c 中都会遇到这样的温度和电场。负栅压应力或者是高温应力都可以产生n b t i 效应，但在这两个应力的，l 卧寸作用下n b t i 效应会更快更强烈。它主要发生穗：负 栅j k 偏置下的p m o s f e tr 1 向在萨栅压偏置下的n m o s f e t 巾这个效应的影响町 4 第一幸绪论 以忽略。在c m o s 电路中，它通常发生在i n v e r t e r 工作在“h i 曲”态中的p m o s f e t 中。 图1 - 1n b t i 效应的典型偏置条件 f i g 1 - 1at y p i c a lb i a sc o n d i t i o no f n b t ie f f e c t 负偏压温度不稳定。i 生( n e g a t i v eb i a st e m p e r a t u r ei n s t a b i l i t y , n b t i ) 效应是对 p m o s f e t 施加负栅压和高温应力的条件下所产生的一系列现象。典型的应力条 件是恒定的负栅压，源极、漏极和衬底均接地和高温应力。主要的器件参数退化 为阈值电压的漂移、驱动电流和跨导的下降。随着m o s 器件特征尺寸按比例缩小， 栅氧化层厚度越来越薄，栅氧电场越来越大；为了提高器件性能，氮化栅氧工艺 和表面沟道器件的应用，这些因素都增强了n b t i 效应。超深亚微米工艺下，n b t i 效应对器件可靠性的影响比热载流子效应更为严重，研究表明在器件特征尺寸小 于0 1 8l am 后，n b t i 效应将最终限制器件的寿命。 在近年的国际可靠性物理年会冲s 上，可靠性研究专家对n b t i 效应对m o s 器件的影响提出了严重警告，n b t i 效应可以引起明显的c m o s 电路的退化和失 效，特别在0 1 8 p m 工艺技术以后，这个问题变得更为明显，因为栅氧的厚度变得 更薄，并且引入了氮来阻止在栅氧中硼穿通效应( b o r o np e n e t r a t i o n ) 。还有原因就 是在互连工艺引入的等离子损伤( p i d ) 等。像阈值电压v t h 这样的器件参数对栅氧 中正电荷的形成非常敏感，必定会受到n b t i 的影响。v 。h 对模拟和混合信号电路 尤其重要，许多高精度的模拟电路如数字转换器和比较器，在电路的工作期间， 要求特别稳定的v i h o 刈1 ：模拟电路设计者来说，占争1 0 m v 2 0 m v 的差别也是一 个大问题。同样n b t i 引发的v 。h 和i d 。退化对于月i j _ 。呼矗性能的数字电路也是非常 广东- i - q p 人学- t 学硕l j 学 t 论义 重要的，会降低其驱动电流进而引发时序漂移等问题。 芯片在高温环境或在产品老化期问的n b t i 遐化随时闻不断增加，并且在高 温变得更严重，如典型的1 2 5 的环境温度( 微处理器正常工作时可以达到这个温 度) ，电和热应力使彳导v 壤随着时闻不断漂移。许多f o u n d r y 已经改变了它们的工 艺来抑制n b t i 效应，并且提醒数字和模拟电路设计师关于n b t i 效应对设计所带 来的影响。必须帮助设计者在电路中提供足够的余量，有能力允许v 铂的漂移。如 果知道v c h 可能会漂移5 0 m v ，那么它们能够进行补偿。n b t i 对于那些低电压供 电的芯片来说是非常严重的问题，因为v 幽的漂移减小了m o s f e t 栅过驱动，并 且随着v d d 的不断缩小，n b t i 对电路的影响越来越严重。过去电路设计者通常关 心在n m o s 中的h c i 效应，将大多数的露靠性研究投入到n m o s f e t 中，但是 随着n b t i 成为更严重的问题，设计者必须给予其更多的关注。e d a 公司需要将 n b t i 纳入到其模型和仿真工具中，以适应可靠性模拟的需要。 t 1 。3 超深亚微米p m o s f e t 中n b tl 效应的研究意义 随着m o s 器件沟道长度的不断减小，为了抑制短沟道效应，减小亚阈斜率， 同时也为了增大驱动电流提高电路工作速度，必须使m o s 晶体管的栅氧化层厚度 和沟道长度一起按比例缩小，但出于电压不能与器件尺寸按同样比例缩小，造成 器件内电场增强，这对小尺寸器件可靠性带来了一系列影响，如：热载流子注入， 栅氧的经时击穿( t d d b ，t i m ed e p e n d e n td i e l e c t r i cb r e a k d o w n ) ，负偏压温度不稳 定性等f 4 】。 与研究相对较为成熟的h c i 效应不同，n b t i 效应正在研究之中。n b t i 廒力 发生在高温和负栅压偏嚣状态下的p m o s f e t 以及数字和模拟电路中，它引发了 器 牛横向分靠的损伤，主要是在s i s i 0 2 界露处产生了界蕊陷阱和氧化层电蘅陷 阱，但是n b t i 真正的失效机制还不清楚。n b t i 效应表现为驱动电流和跨导的下 降、亚阈斜率的不断增大、阈值电压的漂移，它会增加时序电路中的信号延迟， 从而导致时序漂移；在模拟集成电路，特别是一些参数匹配的应用中，电路工作 条件会对匹配的晶体管施加非对称的偏置应力，从两导致明镀的参数失配，这将 导致老化过程中成品率的降低和工作条件下器件性能的变坏。在现在这种栅氧厚 度卡h 器件工艺尺寸情况下，n b t i 效应使得芯片设计者 ：能墩得预期的性能。 6 第一章绪论 对于使用高性能i c 工艺和设计技术来说，n b t i 可靠性问题必须得到重视。 其中包括f o u n d r y 和集成电路设计公司。对f o u n d r y 来说，n b t i 效应会与工艺方 法和条件有着密切关系，尤其是对于使用氮化栅氧的工艺来说，n b t i 退化非常明 显，因此从n b t i 效应反应机理的角度分析关键工艺方法与条件n b t i 效应所带来 的影响，并给出可能的抑制方法。而对于芯片设计公司来说，为了使其设计的a s i c 和s o c 得到最佳的性能，必须注意n b t i 引起的可靠性问题。设计者需要和 f o u n d r y 来协作建立数据库和软件，使能够模拟这些可靠性引起的问题。更为重要 的是，n - b t i 相关的问题主要是性能问题，而不仅仅是失效和可靠性本身。由于没 有任何可靠性模型或模拟，设计者必须求助于过于保守的设计类型，降低了芯片 性能而同时降低了器件早期失效的风险。由于缺乏定量的n b t i 可靠性设计工具， 设计者必须牺牲性能或者进行大量的老化失效试验。由可靠性问题引起的最明显 的影响是减小了器件性能，增加了设计延迟，芯片返工费用和进入市场时间滞后。 在减小设计余量的同时达到最大的设计性能，通过减小设计的反复来加速设计时 间和通过可靠性设计来保证电路的可靠性，如何将可靠性模拟嵌入到设计工具中 是非常有意义的课题。一个n b t i 可靠性设计工具将帮助设计者确定这些问题， 从而使得设计者可以进行设计补偿而不用牺牲性能。而且通过更完整的可靠性评 估，设计可以避免在过去仅仅在老化中才可能出现的问题。n b t i 效应的出现使得 为了达到可接受的成品率通常采用的老化过程必须被重新考虑。必须提供关于 n b t i 效应的全面研究包括其物理机制，对电路性能的影响，模型和模拟技术，需 要晶体管级和门级的模拟工具以高精度来模拟千万门规模的电路。 超深亚微米i c 时代已经到来，我国芯片设计已经采用0 3 5 m ，0 2 5 9 m 和 0 1 8 1 x m 以及更小尺寸的设计。在可靠性研究和仿真与设计，工艺和可靠性损伤方 面进行了一些研究，但是仍然需要做大量的研究工作，以适应飞速发展的高可靠 性集成电路的需求。 1 2 目前国内外相关研究现状与进展 随着n b t i 对超深亚微米器件可靠性的影响越来越严重，有关n b t i 的研究已 经成为新的研究热点，国际i ：的许多高校、半导体公司及i c 生产厂家都陆续丌展 对n b t i 效应的研究，目日，j 的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) n b t i 失效模式的 7 广东t 业人学t 学硕i j 学位论文 研究；( 2 ) n b t i 失效机理的研究；( 3 ) n b t i 寿命评价模型；( 4 ) n b t i 和h c i 耦合效 应与机制；( 5 ) 不同工艺条件对n b t i 的影响；( 6 ) 动态n b t i 效应的研究；( 7 ) n b t i 效应对模拟和数字集成电路的影响；( 8 ) n b t i 自愈合效应( r e c o v e r y ) 。 n b t i 效应在m o s 器件的发展早期就已经被发现，最早在1 9 6 7 年就被观察 到【s 】。d e a l 称它为6 号不稳定性【6 】。贝尔实验室的g o e t z b e r g e r 研究小组第一个给 出了n b t i 退化的详细描述。但在过去较大的器件尺寸和工艺条件下，n b t i 效应 的影响并不明显，以至没有得到足够的重视，所以在相当长的时间旱关于n b t i 效应的研究没有得到发展。在1 9 9 9 年前后o 1 8 1 t m 工艺技术逐渐成为主流以后， 有关n b t i 效应的研究飞速发展起来。 对于n b t i 失效模式的研究，文献 7 ，8 】也报道了采用超薄栅氧p m o s f e t 器 件中由n b t i 引发的器件退化，发现c m o s 器件中由n b t i 引发的p m o s f e t 的 v t h 漂移而不是n m o s f e t 中的h c i 成为器件寿命限制的主要因素，并针对p + 栅 p m o s f e t 和n b t i 可能的机理及抑制方法进行了研究。图2 1 为典型的器件参数 退化图【9 】，可以看出，其退化为阈值电压v t h 向负方向漂移，跨导g m 减小，说明在 s i s i 0 2 界面或附近产生了正电荷，正电荷的产生可以由界面缺陷或氧化层缺陷来 解释。 图1 - 2n b t 应力f ，典叶! 的器件参数v t t i ，g 。退化图 f i g 1 - 2n b ts t r e s s ，at y p i c a ld e v i c ep a r a m e t e r sv t h ，g md e g r a d a t i o nm a p 对于n b t i 失效机理的研究，n b t i 的失效机理还没有完全清楚的认识，但是针 对n b t i 的机理研究也取得相当的成粜。普遍认为，n b t i 的失效f t l s 单- 使( l z s i s i 0 2 界面或者附近产牛了正电荷【9 1 0 j 。目前建。覆的关于n b t i 的反应模型i i 婴仃氧反应模 丫蜒罟绣 第一章绪论 型和反应扩散模型，其中反应扩散模型( r d ，r e a c t i o n d i f f u s i o n ) 得到了较广泛的 认可【1 1 】，图l 一3 为r d 模型示意圈l l l 。尽管己经提出了各种各样的模型，但是有关 n b t i 的原子级的显微机制仍然没有清楚的认为。 图1 3r d 模型示意图 f i g 1 - 3r dm o d e ls c h e m a t i cd e s c r i p t i o n 对于n b t i 寿命评价模型，文献对0 1 8 1 a m 栅长的p + 栅p m o s f e t 中的n b t i 进行了研究，给出了在n b t i 应力前后器件特性和参数的变化情况，以阈值电压 漂移量v t h 为退化表征参数，考察了影响v i h 的参数，依据试验测量结果得到关 于n b t i 中阈值电压退化量的计算公式【s l ，从而给出了一个简单的模型来预测 p m o s f e t 的n b t i 寿命。对于上述简单模型中的单个参数，有文献对其进行了深 入的试验研究，建模和修正，文献 1 2 】讨论了影响v 。h 的栅氧电场参数，文献 1 3 】 讨论了影响a v 。h 的温度参数。另外，台积电的c h i a l i n c h e n 等提出了一个新的 n b t i 寿命模型i g - m o d e l ，以i d 退化1 0 作为n b t i 的失效标准，提出此模型用于 对栅氧厚度茎3 0 n m 的p m o s f e t 来预测n b t i 寿命1 1 4 1 。本文将以v t h 作为n b t i 失效标准，对0 1 8 9 m 栅长的p m o s f e t 建立寿命评价模型，从而精确的定量的预 测n b t i 寿命。 由于动态n b t i 所具有的独特特性，动态n b t i 效应也得到了广泛的关注。图1 4 为典型的动态n b t i 应力设置图。i b m 的w a b a d e e r 研究在a c n b t l l 、l 力作用下的 p m o s f e t 变化，主要研究了信号频率和占空比对退化的影响，提出了丁能的物理 机制以及义寸电路造成的影u 1 6 j l 】。c _ t c h e n i ) l j j 研究了栅压变化后n b t i 的f i 退化阶段， 及在负栅胍i - - n b t i 退化以及在i f 栅爪f 的钝化过程1 1 6 】。n b t i 测试l ，退化恢复的 9 广泶t 业人学t 学硕l j 学化论文 另一个常见问题同晶体管工作时是否能达到频繁的开关状态有关，因为只有在晶 体管关断的条件下，n b t i 退化才能开始恢复。因此，如果使用传统的d c 应力和 退化手段，如果晶体管一直处于开态，将不会有恢复现象出现，这样将会导致低 估晶体管的寿命。一种解决这些动态恢复问题的方法是采用脉冲应力取代传统的 d c 应力。使用这一技术，晶体管受到脉冲应力，其工作状态在开态和关念之间交 替转换。这样v t h 的退化就成为脉冲频率的函数。这种测试可以提供不同应用下器 件恢复性能的重要信息。例如，开关频率与晶体管在不同功能电路的使用频率不 同。n b t i 退化与频率的对应关系可以揭示出部分电路在测试前失效的情况。 魄几 p m o s f e t 一。t ；i； | ll； !i w ：o 篷| o np 程p 搭pf 产f 呼 。日臼日臼b r 图1 _ 4 典型的动态n b t i 应力设置图 f i g 1 4t y p i c a ld y n a m i cn b t is t r e s ss e t t i n g sf i g u r e 工艺条件对于n b t i 效应有著重要的影响，而出于目前氮化栅氧已经成为标准 的c m o s 工艺，因此研究相对主要集中在氮化栅氧中氮对n b t i 退化的影响。n e c 公司的n k i m z u k a 研究了用于0 。1 0 u mc m o s 工艺技术代中栅氧中的氮对n b t i 效应 的增强作用，他认为氮的存在导致n b t i 退化的增强，在器件栅氧中氮的浓度需要 进行优化设计i f 7 1 。k e i k o 。k u s h i d a a b d e l g h a f a r 则研究了在s i 0 2 s i 界面处氮对l 叮靠性 的影响，主要楚对n b t i 退化以及f n 退化，他认为栅氧中的氮可以作为空穴陷阱中 心的作用，冈此增强了器件的n b t i 退化l i s t 。丽j i r o u s h i o 贝j j 从理论分板豹角艘给出 了在s i 0 2 s i 年l l s i o 。n y s i 界面处妇n b t i 3 i 发的界嘶结构改变l 。s h y u e s e n g 从实验 分柝和理沦j ：的计算研究了氮增强的n b t i 效成j 。除了氮对n b t i 效应的影响以 l o 第一章绪论 外，还针对工艺中的水，氧化层损伤，退火温度以及氟等对n b t i 的影响进行了研 究，这使得工艺对n b t i 造成的影响越来越清楚。 关于n b t i 效应对模拟和数字集成电路影响的研究，德国的i n f i e o n 公司的 r o l a n d t h e w e s 研究了包括n b t i ，h c i 以及栅氧可靠性影响下的模拟电路应用中的 器件可靠性 2 t l ；a g e r e 公司的y u a n c h e n 贝j j 给出了由n b t i 和h c i 应力引发的模拟电 路中的参数失配问题f 2 2 1 ；t i 公司的v i i a y r e d d y 贝j 全面的描述 n b t i 对数字电路可 靠性带来的影响【冽。 针对n b t i 效应中的自愈合效应，如图1 5 。i n t e l 公司的s a n j a y r a n g a n 通过研究 发现在2 5 c 下这种恢复可以达到1 0 0 ，并且这个恢复是和应力电压，应力时间以 及温度无关 z 4 1 。而m e r s h o v 贝j j 发现这种恢复程度只能达至l j 3 0 5 0 l 。n b t i 测试的 特别之处在于其性能退化在去掉应力加载之后还可以恢复。当栅极e g 压( v 。) 引入 的应力卸载之后，漏极电流( i d ) 和阈值电压( v t h ) 的退化会逐渐恢复并最终返回到起 始的情况。恢复的速度对温度的依赖程度很高。在室温下完全恢复的情况也见诸 报道。当恢复之后如果再次在栅极引入应力，性能退化将按照上次退化的曲线发 展。但在较高温度时，将有一部分退化的性能是无法抵消的，这种情况称为退化 锁定。在并行n b t i 测试中，当应力卸载后i d 退化恢复过程的测量是一个极大的挑 战。传统的测试方法需要花很长的时间来测试n b t i 退化，通常并行对器件加载应 力，之后将应力源断开，对器件进行顺序测量。这种方法有两个问题：首先，从 断开应力源到开始测量需要一段时间，而在这段时间内一旦应力源消失退化的恢 复实际已经开始了；其次，由于顺序测量器件，其测量时间也不同，那么退化恢 复的程度也有差异。对于最后一个测量的器件来说，测量时其退化程度可能是第 一个被测器件的一小部分。这些缺点要求采用无应力转换的开关，可以完成多器 件并行测量的测试方法。另外还要求可以通过几点测试数据估测v 。h 的退化情况， 而不是像传统方法那样必须使用整条i d v 。曲线来测量v 。h 退化。 在目前的超深亚微米尺度下，实际的器件工作中并不仅仅是n b t i 在发挥作 用，n b t i 会和其它效应结合起来对器件产生影响。m 的g z l a r o s a 就