NMOSFET热载流子效应可靠性及寿命研究

摘要

随着集成电路的发展，实现电路系统性能的高集成度、高性能以及高可靠性是必然趋势，这就迫切要求缩小单个的器件特征尺寸，力争在单片上集成器件的个数更多，使其功能更为复杂。但是人们逐渐注意到随着系统中单个器件数量的增多，人们对系统的可靠性要求愈来愈高。集成电路可靠性问题涉及到器件结构、工艺流程、电路的设计等领域，目前主要的可靠性问题主要包括有热载流子效应，负栅压不稳定，栅氧经时击穿，ESD等，其中由于热载流子效应引起的器件可靠性问题是一个重要的研究方向，对其进行研究对于提高电路可靠性有着相当重要的意义。热载流子效应不仅导致MOSFET 器件特性退化，缩短器件的正常工作时间，而且严重时会影响整个电路甚至系统的性能。因而，如何建立器件HCI可靠性模型，精确模拟热载流子效应的可靠性，通过采取什么样的措施来减小热载流子效应对器件特性造成的影响，提高器件的正常工作状况下的寿命值，这是必然要研究的课题。
　　 本文首先对NMOS 器件的热载流子效应产生的机理进行了研究，详细分析了热载流子产生的物理过程及物理模型。
　　 其次介绍了热载流子效应的分析方法，重点研究了电荷泵测试，直流应力测试的原理和和具体的实验测试。文中基于实验室的软硬件平台，设计了在直流应力下热载流子（HCI）电参数可靠性测试的程序，充分考虑到LabVIEW 语言编程的开发周期短，可操作性强，界面友好的优点，本软件采用可视化编程，可控性好，利用本程序能很方便的测量提取到热载流子效应下的器件特性。
　　 再次研究了工业界及学术界常用的MOSFET 器件失效分析的一些基本概念和方法，详述了用来推断MOSFET 器件的寿命模型。其中比较倍受国内外关注的三种模型分别为：HU 提出的Hu 提出的d sub I I/模型、衬底电流模型、漏端电压Vd模型，研究了各种模型应用的条件以及需要提取出的参数信息。
　　 最后以BCD 公司1.5um NMOSFET 为样品，沟道宽度与长度之W/L=20/1.5，分析了应力时间点下的器件特性曲线变化情况。实验测得的器件转移特性、输出特性在不同应力时间点的退化情况。MOS 器件电参数随应力时间变化的关系，验证了退化趋势符合器件寿命模型，选择器件的一个参数根据寿命模型外推出此种器件的寿命值。针对热载流子效应对器件特性的影响，提出了抑制热载流子效应的有效方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章HCI 效应及其研究方法

第三章HCI 效应参数测试系统设计

第四章MOS 器件可靠性分析及寿命模型

第五章MOS 器件特性测量结果及寿命推算

第六章结论与展望

参考文献

致谢

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