0.13μm pMOSFET的NBTI效应研究

论文摘要

随着集成电路工艺尺寸不断减小,负偏置温度不稳定性(NBTI)效应对CMOS电路的影响日趋严重,其导致的PMOSFET的参数退化现象越来越不可忽视,成为制约CMOS电路寿命的主要因素之一。本文主要针对0.13μm铜互连工艺的PMOSFET的NBTI效应进行了深入研究。设计了NBTI测试结构,完成了版图设计和样品的流片及封装。规划了NBTI试验方案,对NBTI寿命模型的相关参数进行了测试和参数提取,确立了0.13μm的NBTI寿命模型,并与0.18μm CMOS工艺PMOSFET的NBTI寿命模型进行了比对分析。基于实际电路工作状态的考虑,以0.18μm工艺PMOSFET为试验对象,进行了动态NBTI效应的研究,对各种动态NBT应力下PMOSFET的参数退化情况进行了研究讨论。NBTI可靠性寿命试验方面,本文分别进行了NBTI效应时间参数、激活能、电场加速系数、器件参数的提取,较理想的拟合了0.13μm铜互连工艺的NBTI效应的退化状况。根据试验结果建立了器件寿命模型,推算出0.13μm电路在PMOSFET栅压为1.32V时,阈值电压漂移100mV需要的时间为18.1年。将其与0.18μm工艺提取的寿命参数相比较,确定了不同工艺水平对NBTI效应的影响程度。对动态NBTI效应进行了研究讨论,研究明确了频率、占空比、正栅压等应力情况下PMOSFET的阈值电压退化状况,确定了器件尺寸参数对动态NBTI效应的影响程度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 半导体集成电路行业发展现状
• 1.1.2 NBTI 效应及其对大规模集成电路的可靠性影响
• 1.1.3 0.13μm CMOS 工艺PMOSFET 中NBTI 效应的研究意义
• 1.2 NBTI 效应国内外研究现状
• 1.2.1 NBTI 机理研究
• 1.2.2 NBTI 效应与栅氧介质及工艺的关系
• 1.2.3 NBTI 效应对于电路性能的影响
• 1.2.4 NBTI 和HCI 互耦合机制的研究
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 NBTI 测试结构及试验条件准备
• 2.1 测试结构预计及设计
• 2.2 温度应力的精准控制测试结构化
• 2.3 封装与测试
• 第三章 NBTI 试验及测试方案
• 3.1 测试方案思路
• 3.1.1 加速寿命模型
• 3.1.2 试验目标及试验设计
• 3.2 阈值电压及其他参数的测定方法
• 第四章 PMOSFET 的 NBTI 退化情况及其机理
• 4.1 PMOSFET 静态参数随NBTI 应力时间的退化
• 4.2 引起NBTI 效应机理介绍
• 第五章 NBTI 寿命试验
• 5.1 应力时间t 与阈值电压漂移量的关系
• 5.2 温度应力T 与阈值电压漂移量的关系
• 5.3 栅极电压Vgs 与阈值电压漂移量的关系
• 5.4 器件尺寸W 与L 与阈值电压漂移量的关系
• 5.5 NBTI 寿命模型建立
• 第六章 动态NBTI 效应研究
• 6.1 动态NBTI 效应的机理
• 6.1.1 动态NBTI 效应与频率的关系
• 6.1.2 动态NBTI 效应与占空比的关系
• 6.1.3 动态NBTI 效应与应力栅电场的关系
• 6.2 动态NBTI 效应的试验设置
• 6.3 动态 NBTI 试验及分析
• 6.3.1 动态 NBTI 下 PMOSFET 的退化情况
• 6.3.2 动态 NBTI 不同频率下阈值电压的退化
• 6.3.3 动态 NBTI 不同占空比的情况下阈值电压的退化
• 6.3.4 动态 NBTI 不同温度的情况下阈值电压的退化
• 6.3.5 动态 NBTI 不同电应力条件下阈值电压的退化
• 6.4 动态 NBTI 效应模型
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献