1 引言

负偏压温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)是纳米MOS器件和集成电路最主要的可靠性问题之一[1,2].器件上施加的电压应力在较长时间或者高温加速作用下,会产生陷阱电荷,使器件的阈值电压漂移,跨导降低,亚阈摆幅增加,并且退化幅度与应力时间服从指数关系.这些参数退化可能会导致模拟电路高精度晶体管对的失配,从而影响电路的性能要求;阈值的漂移影响数字逻辑的实现甚至产生逻辑错误;漏电流下降影响驱动电路的驱动能力;跨导的退化同样影响响应速度或者引起时序问题.

杨力生一气之下便说：“什么话也不用多说，新社会婚姻自主，你们看不好，我看好了。”说罢，一转身便走开，直接又去找杨秋香约会去了。

国内外非常重视纳米器件的NBTI效应研究,开展了较多的研究工作[3～9].已获得NBTI造成器件参数退化的现象,但对其缺陷形成机制及详细过程依然存在争议.NBTI效应有两种基本的退化模型:(1)界面态相关的模型,如最被广泛接受的反应扩散(Reaction-Diffusion,RD)模型,认为硅-二氧化硅(Si-SiO2)界面的Si-H键在应力条件下被打破,生成的H(氢)物质向氧化层中输运[3];(2)空穴俘获模型(hole-traping model),包括导带价带载流子发生弹性遂穿等,认为空穴通过遂穿进入氧化层,被陷阱俘获和释放,使得器件发生退化和恢复[4].

在NBTI效应引起的参数退化中,阈值电压VTH漂移是最受关注的焦点,有研究报道了其退化幅度与沟道长度的关系[10～14].结果显示，NBTI效应引起的阈值电压变化会随着沟道长度L的减小而增加.研究认为产生该现象的主要原因是,与长沟道器件相比,短沟器件的栅氧化层边缘所占的比重更大,而这一区域往往具有更高的缺陷密度.另外,为了降低热载流子效应而采取的轻掺杂漏(Lightly Doped Drain,LDD)结构,使得栅氧化层边缘处具有更高的空穴浓度,也使得短沟器件更容易受到影响[12].与之对应的是,除少量文献报道了深亚微米器件NBTI损伤与沟道宽度的关系[13,14],很少有报道纳米器件NBTI效应与沟道宽度W是否存在相关性.基于以上背景,本文以65nm工艺的PMOSFET为研究对象,重点关注了NBTI效应在沟道宽度方向上的变化.

2 试验条件

试验样品为65nm工艺的体硅PMOSFET(P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管).样品的栅氧厚度为1.8nm,正常工作电压VDD为1.2V.试验样品为封装器件,一只封装的器件中包含有4种沟道宽长比(W/L)的晶体管,其W/L分别为10μm /0.06μm、0.3μm/0.06μm、10μm/0.3μm、0.6μm/0.3μm.NBTI试验温度为400K,栅极电压VStress=-2V,其余端接地,应力时间为1000s.

参数测试时,由于NBTI具有快速恢复的特性,中断应力测试会使得部分退化恢复.因此本试验中采用文献[15]中的方法,只测量一个点VGM处的电流IDLIN,通过IDLIN的电流变化计算阈值电压漂移:

(1)

图3(a)为TCAD仿真工具构建的器件结构.图3(b)模拟了沟道指向STI方向的电场,可以看出水平方向电场在很大的STI界面区域上都存在,而且越靠近栅氧的区域电场越强.尽管与栅氧相比这一区域的电场强度较小,但是STI与栅氧不同,氧化层质量较差,缺陷密度也更高,甚至有研究报道STI产生的机械应力会导致STI边缘处产生更多的界面陷阱.尤其需要关注的是在LDD与STI接触的四个边角,因为其空穴浓度比沟道中心更大,四个边角位置的NBTI损伤都更大.与之相反的是,由于STI的存在,由沟道指向栅氧层的电场,在靠近STI区域比中间位置更小,也有报道认为栅氧靠近STI位置的厚度增加,是造成这一现象的原因[17].但是在我们的仿真中,栅氧的厚度是均匀的,仍然有同样的现象,如图3(c)所示.

试验样品和测试系统如图1所示.其中,图1(a)为被测器件,采用DIP48封装,内含不同宽长比的PMOSFET.图1(b)为测试系统,图中左侧为添加高温应力的试验箱,右侧为提供NBT应力和提供测试的半导体参数分析仪Keithley 4200-SCS.试验开始时,将器件放入高温箱,使用连接线将器件与半导体参数分析仪相连,进行应力试验和测试.

为了尽量减小由于温度导致的误差,首先在升温的过程中多次扫描转移特性曲线,找到样品的零温度系数点,并将应力间的测量电压VGM设在零温度系数点附近,通过这种方法来避免温度引起的电流变化,保证测试数据的精确性.在多次测试时,将每次的升温、降温时间都保持一致,以此来保证多次试验的一致性.试验期间的电参数测试以及NBTI应力在Keithley 4200-SCS半导体参数分析仪上完成.在正式试验前,首先对同一批次的1只器件进行摸底试验,用来确定应力电压、测量电压、升温时间、降温时间等试验条件.正式试验时,选取同一批次的3只器件分别开展试验.

3 试验结果

（2）新型电网规划体系的核心是处理与分析各种各样的多源异构数据。建设电网规划数据信息库是十分关键的，数据库能够整理并存储大量数据，数据库的工作支撑是先进的内存计算技术和索引机制，能够大大提高数据处理的效率。数据处理的主要步骤有四个：清洗修正（即查找错误数据并对其进行修正），特征提取（即对不同类型的数据特征进行分析），关联分析（即分析不同类型数据之间存在的相关性），挖掘预测（即依据数据相关性来预测未来的数据）。而根据以往的和现有的数据来分析与预测未来的数据体现的正是大数据理念。

温度和电场是NBTI效应中缺陷产生的重要条件.在固定温度下,电场对Si-H键的断裂和氧化物中电荷的捕获非常重要,高电场更易于产生陷阱电荷.下文将通过电场产生位置及电场大小来分析NBTI的窄沟增强效应.

表1 65nm样品1000s应力后室温下直流参数变化百分比

W/L (μm /μm)10/0.060.6/0.0610/0.30.6/0.3阈值VTH2.26%5.68%2.30%3.38%线性电流IDLIN4.07%6.37%3.39%4.39%饱和电流IDSAT4.54%6.61%5.15%6.53%最大跨导Gmmax2.83%2.27%2.46%2.05%

4 讨论

4.1 缺陷作用分析

缺陷的存在是纳米器件可靠性效应引起参数退化的原因.NBTI效应引起器件参数退化的主要原因是应力导致了缺陷的产生,从而使器件参数随时间呈现出不稳定性.根据已有研究,NBTI退化主要源于界面处Si-H键发生断裂而产生界面陷阱的过程,此外栅氧化层陷阱的空穴俘获机制也是NBTI效应的另一个重要来源.

综上所述，妊娠期糖尿病患者联合应用胰岛素、二甲双胍治疗的效果显著，不仅能控制血糖稳定，并能降低PARP，减轻炎症，值得推广。

在以SiO2或高K材料作为栅介质层的技术中,氧化层衬底界面存在着Si-O键和Si-H键.由于Si-O键具有较高的激活能因而需要与携带高能的载流子反应才可发生断裂,而Si-H键只要在靠近界面的冷空穴的辅助下就可以发生断裂反应.Si-H键在高温和电场应力条件下就可以发生断裂,从而形成界面陷阱[3],进而使器件参数发生退化.R-D模型认为在NBTI退化过程中Si-SiO2界面处发生了电化学反应,使得原本不具备电学活性的钝化Si-H键发生断裂生成界面陷阱和可自由移动的氢物质:

Si-H+h+↔Si++Xinterface

(2)

可能的反应包括空穴辅助断裂和掺杂激活断裂[16,17]:

Si3≡Si-H+h+↔Si3≡Si*+H

(3)

Si3≡Si-H+H+↔Si3≡Si*+H

(4)

另一方面,在靠近界面的氧化层中存在着氧化物陷阱E’中心,可以克服势垒形成氧空位结构,势垒的高度以及E’中心的稳定性则与其所处的网状结构相关.E’中心在氧化层的热生长过程中形成,其能级位于禁带的中部,因而它们的作用类似于空穴陷阱,可以俘获从反型层而来的空穴.对于NBTI效应来说,氧化物陷阱曾被认为是阈值电压不稳定的根源,随着MOSFET中氮元素的引入,该观点也被更多的地用以解释NBTI应力下阈值电压的退化.部分E’中心可以与Si-SiO2界面反复交换电荷,引起参数的退化与愈合.

表1为试验样品在NBT应力后的直流参数变化百分比.首先,用应力试验后的参数值减去参数初值,得到参数变化值.之后用参数变化值除以参数初值,得到参数变化百分比.对比不同宽长比的样品,可以看出窄沟样品几乎所有参数的退化都比宽沟道样品更大.这一现象与国外已报道的微米级PMOSFET的表现截然相反[13].3次试验中的3只器件均表现出一致的参数变化趋势.

4.2 NBTI退化随沟道宽度变化的原因

这或许可以解释文献[8]中与我们实验所获得的不同结果.文献[8]中的器件的栅氧厚度为3.5nm,沟道长度为0.18μm,沟道宽度分别为30μm、10μm、5μm、1μm.器件栅面积足够大,W的减小不足以使四个边角的比重获得大幅提高,反而使得栅氧上弱电场区域比重增加,此时NBTI的退化变小;本文中65nm器件的栅氧厚度为2.6nm,最小沟道长度仅为0.06μm,沟道宽度分别为10μm、0.6μm、0.3μm.器件本身栅氧面积较小,边角的比重随着W的减小迅速增加,其作用超过了栅氧上弱电场区域,所以退化更大,从而使得在相同NBT应力下,相同沟道长度的窄沟器件产生的参数退化更大.

其中,VTH0是在应力前扫描转移特性曲线,通过最大跨导处线性外推得到的阈值电压,IDLIN0是测量电压VGM处的初始电流.同时，在应力前后扫描转移曲线.

为进一步了解小学生减法口算速度在各年级的增长幅度，采用相邻年级时间的递减率来进行表示和分析，结果如表6所示．

在纳米MOS器件中存在两个主要的氧化层,即栅氧化层和浅槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)氧化层.在对试验样品施加NBT应力时,不仅栅氧化物中会产生电场,STI也会受到电场的影响.由于试验时栅端施加了高于正常工作电压的应力,在该应力条件下,栅氧化层下的沟道远比普通强反型状态聚集了更多的空穴.这些空穴的存在屏蔽了来自沟道上方的部分电场影响.而STI上方电场无法屏蔽,使得STI与反型层界面也存在一定应力.NBTI效应作用位置,除了垂直电场影响的栅氧化层,沟道指向STI界面方向也存在电场影响STI区域.

对试验样品进行NBTI试验前后均在室温下扫描了IDS-VGS曲线,如图2(a)的W/L=0.6μm/0.06μm器件试验结果所示,器件的线性电流IDLIN下降,阈值电压VTH负向漂移.图2(b)是不同宽长比器件的阈值电压在应力期间随时间的变化,基本满足对数关系.

5 结论

随着MOS器件特征尺寸缩小至纳米级,NBTI成为影响器件可靠性的重要问题之一.为了研究器件结构对NBTI退化的影响,本文开展了不同宽长比的65nm工艺PMOSFET的NBTI效应研究.试验结果表明,窄沟器件几乎所有的NBTI参数退化都要大于宽沟器件,这与国外已报道的微米级器件的现象相反.通过缺陷分析和TCAD仿真的方法,分析了产生这一现象的原因.认为STI区域对器件NBTI效应有重要影响.由于纳米器件栅氧面积小,边角的比重随着沟道宽度的减小迅速增加,其作用超过了栅氧上的弱电场区域,因而引起更大的退化.研究结果为器件可靠性设计提供一定的参考.

All authors declared that there are no con flicts of interest.

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