纳米工艺代MOS器件的NBTI效应及其可靠性模型研究

发布时间：2021-11-28 06:01

　　负偏压温度不稳定性（Negative Bias Temperature Instability,NBTI）主要由界面缺陷和发生在栅电介质缺陷中的空穴俘获导致,会引起PMOS晶体管的阈值电压、线性和饱和漏极电流、跨导以及亚阈值斜率等关键的电性能参数随时间产生渐变的偏移,从而降低模拟、数字和存储器电路的性能,器件和电路的寿命也随之缩短。NBTI是影响纳米工艺代MOS器件可靠性的关键物理效应,其研究对于集成电路设计具有重要的学术意义和应用价值。本论文基于解释NBTI效应的反应扩散理论及其经典模型,针对DC应力和低频AC应力下纳米工艺代MOS器件的NBTI退化行为,研究并提出用于描述器件阈值电压退化量随时间变化关系的新型解析模型,并通过实测数据验证了上述模型的有效性。总结本文取得主要成果如下:一、提出并实现了可精准描述DC应力下NBTI长时恢复的解析模型。该模型突破了传统解析模型的不足,增加了影响NBTI效应长时恢复趋势的界面陷阱快速恢复、H2扩散系数随时间衰减和H2锁定效应等三个因素。该模型能有效拟合40纳米工艺MOS器件的实测数据。该部分工作成果发表于SCI检索期刊Microelectro... 

【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

NBTI应力下，HKMG器件栅介质横截面示意图

NBTI 退化的重要来源。本章将简述 HKMG 器件中导致 NBTI 退化的界面陷栅氧化层陷阱的物理结构，介绍用于描述界面陷阱产生机制的双界面 RD 模用于解释氧化层陷阱空穴捕获机制的双能阱模型及解析模型。2.1 造成 NBTI 退化的 陷分图 2.1 显示了 HKMG 器件的栅极绝缘体横截面示意图，以及构成 NBT的各类缺陷的初期形式。HKMG 栅介质层是堆叠结构，由基于 SiON 的缓冲基于 HfO2的 High-k 层组成，在硅衬底和缓冲层界面处存在着由 H 钝化的心，也就是 Si-H 键。其余在栅绝缘层中的钝化缺陷可以被表达成 X-H。如述，X-H 键可能是 HKMG 器件中缓冲层和 High-k 介质层的 HfSiON 过渡区Si-H 键，X 还可能是缓冲层和 High-k 层中的氮原子 N、氧原子 O 和各种氧Ov 相关的缺陷[67]。栅介质中的 N 可能是在工艺中被有意引入的，也可能是化钛(TiN)金属栅极和氮化硅(SiN)边墙扩散而来。

9.2展示了不同氧空位缺陷的原子排序以及相应由密度泛函理论计算布情况。如图所示，在 SiO2中两个 Si 原子总是通过一个 O 原子子丢失时，这两个 Si 原子之间的共价键就成为了氧空位 Ov(Si-Si)；子和一个 Si 原子之间丢失一个 O 原子，将产生氧空位 Ov(HHS)；子和一个 Hf 原子之间丢失一个 O 原子，将产生氧空位 Ov(HSS)；在，三个 Hf 原子之间或者四个 Hf 原子之间丢失一个氧原子，将形成配位的氧空位，即 Ov(3c)和 Ov(4c)。由于结构弛豫效应，上述氧空电子。图 2.2 中给出了各种情况下的陷阱能级。需要注意的是，仅当 2.2 HKMG 器件栅极堆栈结构中的原子排序和相关氧空位的分布；基于泛函理论，对应不同电子占据情况的各种氧空位缺陷的能级分布情况[67]


本文编号：3523851