超深亚微米MOS器件的总剂量效应及可靠性问题研究

• 作 者: 王健
• 机 构: 北京大学
• 出 处: 北京大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 超深亚微米 MOS器件 总剂量效应 边缘泄漏电流 热载流子注入效应 负偏压温度 可靠性

集成电路被广泛地运用于航空、航天和核电站等特殊领域。当集成电路工作在上述环境中时，会受到各种辐照射线和粒子的威胁，严重影响电路的正常工作甚至使其失效。总剂量效应是各种辐照效应中非常重要的一种。随着器件尺寸进入到超深亚微米领域，各种新工艺逐渐被采用，器件的辐照效应与大尺寸时有所不同。另一方面，超深亚微米尺寸器件正面临越来越严峻的负偏压温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)以及热载流子注入(Hot CarrierInjection，HCI)等可靠性问题。本论文通过实验手段对超深亚微米器件的总剂量效应和可靠性问题进行了较为系统的研究。　　
本论文首先研究了多叉指器件在辐照环境下的边缘泄漏电流问题。实验结果表明，广泛应用于射频/模拟的多叉指结构在辐照环境下将出现很大的泄漏电流与阈值电压漂移，需要采取特殊的加固措施。　　
针对SOI器件的结构特点，本论文实验研究了器件在体端接地和体端浮置两种条件下的HCI效应，指出浮体效应会大大加速器件特性的退化。将两种工作条件下的寿命预测统一到同一个寿命预测模型中并通过实验验证了其有效性。本论文还针对自加热效应对SOI器件寿命预测的影响提出了相关的修正方案并完成了相应的设计。　　
当超深亚微米PMOS器件工作在辐照环境中时，会同时受到总剂量效应和NBTI效应的影响，使其可靠性表现出与常规环境中不同的特点。本论文通过先对器件进行辐照后施加NBT应力以及先对器件施加NBT应力后进行辐照两种方法，首次研究了总剂量效应和NBTI效应的共同作用对PMOS器件特性的影响。结果表明，辐照会在栅氧化层中引入预陷阱态，从而使得器件退化加速，寿命大大缩短。