NBTI效应监测电路的设计与研究

• 作 者: 王熙庆
• 机 构: 北京大学
• 出 处: 北京大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 负偏压温度不稳定性 阈值电压 环形振荡器 监测电路 pMOSFET 可靠性

随着集成度电路的发展，器件尺寸的缩小，芯片集成度的提高，NBTI(Negative Bias Temperature instability)效应日趋严重，逐渐成为制约器件寿命的主要因素。　　本文主要对PMOSFET的NBTI效应及其监测进行了较为深入的研究，并选定环形振荡器作为监测电路的基本电路，设计了改进后的环形振荡器监测电路。　　单个和阵列PMOSFET的NBTI效应测试，在北京大学参数提取实验室进行了完整的测试。针对得到的测试数据，对NBTI退化效应对温度、应力、时间等参量的依赖进行了分析，并进行了简单的建模。试验表明退化效应和tn成正比，其中n=0.3301。应力和温度的增大，也会严重加深器件的退化。该模型可以用来评估器件的寿命。　　监测电路主要以CMOS环形振荡器为主。首先，仿真和实测分析了NBTI对反相器、环形振荡器等电路的影响。然后，提出了改进后的环形振荡器，分离了NBTI和PBTI效应，使得测量结果为单一NBTI效应所引起的环形振荡器退化现象。并且结合阈值电压退化监测方法，实现了独立读出每一级反相器PMOS的退化量，从而将NBTI效应具体化。　　本文的电路设计在SMIC130nm和Chartered130nm工艺下通过了流片验证，并利用探针台和Agilent4156C进行测试。在研究NBTI效应对器件、集成电路的影响并独立设计监测电路的基础上，深入了解了NBTI效应的退化机制，给高可靠性的电路设计提供了依据。