深亚微米CMOS集成电路可靠性评价与设计技术研究

发布时间：2020-07-03 00:21

【摘要】：可靠性对几乎所有的集成电路产品来说都是一个重要的要求,尤其是在恶劣环境条件下,电子系统中芯片的可靠性必须达到更高的要求。因此集成电路厂商在设计和制造过程中对各种可靠性问题进行了重点的关注。随着工艺尺寸的不断缩小,互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)材料已经非常接近其本身的物理极限和可靠性极限。在深亚微米级和纳米级工艺节点,可靠性带来的挑战越来越受到人们的重视。基于以上背景,本文以深亚微米CMOS集成电路的可靠性评价和设计技术为研究课题,从CMOS集成电路的各种可靠性问题入手,重点研究了热载流子效应、经时击穿、负偏置温度不稳定性、电迁移和辐射效应的物理模型,失效机理和测试结构。深入分析了65nm CMOS工艺的热载流子效应,经时击穿效应,以及0.13μm工艺的铁电存储器的总剂量辐射效应。具体内容如下:对于工艺可靠性的问题,详细研究了热载流子效应、经时击穿、负偏置温度不稳定性、电迁移四种失效模式的物理模型,失效机理和测试结构。其中,对热载流子效应和经时击穿进行了深入研究。对65nm CMOS工艺的器件的热载流子效应进行了加速寿命试验和寿命预测;对比研究了热载流子对环形栅和条形栅NMOS器件的性能退化的影响;以及分析了冷载流子和热载流子对器件的性能影响的差别和相应的物理机理。同时,对65nm CMOS工艺的栅氧的经时击穿进行了加速寿命试验和寿命预测;对影响MOS器件经时击穿的各种因素进行了特性分析;以及研究了衬底热载流子对栅氧经时击穿的影响。对于器件的辐射效应问题,详细研究了铁电存储器的总剂量辐射效应。开展了全芯片~(60)Coγ射线总剂量效应试验;另外,由于钴源不能单独对铁电阵列和外围各电路模块进行辐照,故开展了局部辐照试验研究,主要包括X射线微束试验和电子加速器铝膜屏蔽试验;深入分析了铁电存储器各电路模块的辐射敏感性和失效机理;对比研究了不同辐射源的差异性和应用特点。基于对深亚微米CMOS集成电路的各种可靠性问题的详细研究,开展了可靠性加固设计研究,包括抗总剂量加固设计研究,抗热载流子退化加固设计研究以及提高栅介质可靠性的方法研究。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
【图文】：

失效率,市场

CMOS 工艺的性能更好，以适应在许多高级应用中速度、耗以及成本的需求[1]。然而，随着生产工艺技术进入深亚微列的问题也随之而来。一方面，随着特征尺寸的减小，电，器件内部的电场强度和电流密度持续的增加；另一方面的引入，产生了一些还不可知的新的可靠性问题，因此，规模集成电路（Very Large Scale Integration, VLSI）发展所[2]。市场对产品的可靠性水平提出了越来越高的要求。特别是域的集成电路产品，由于其应用环境的特殊性，对产品在设节的可靠性水平提出了更高的要求。在过去几十年里，市间的变化情况如图 1-1 所示。在过去，能够达到市场失效率是非常充足的，也就是说基于加速应力试验，在工艺环节随着 CMOS 工艺的特征尺寸进入到 65nm 及以下水平，工的减小，在某些情况下甚至降低到零[2]。这就需要研究人员可靠性余量，并改变可靠性评价方法以获得新的可靠性余量

热载流子注入

研究了热载流子注入、经时击穿、负偏置温度不稳定性、电迁移和就这五种可靠性问题的概念、失效机制和物理机理进行详细的阐述流子注入热载流子注入概述着 MOS 器件的特征尺寸缩小到亚微米级和纳米级，热载流子注入成靠性问题之一。热载流子注入主要是由在靠近漏极区域附近的沟道引起的，这个高电场造成了反型层中的电子（NMOS 器件）被加速得足够的能量以翻越 Si-SiO2势垒进入栅氧化层。这些获得能量的载载流子，进入栅氧化层的热载流子会引起 MOS 器件的 I-V 特性退化如饱和漏电流 Idsat，阈值电压 Vth和跨导 Gm等），如图 2-1 所示。热应在短沟道器件中是非常显著的现象，然而在 90nm 及以下的先进层的热载流子效应与温度、栅氧厚度的相关性及其退化机理与老m 及以上节点）相比具有不一样的特性。

【参考文献】