2012硕 基于PSP模型的40nmMOS器件HCI可靠性模型研究 张孟迪

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Department： Major: Specialty: Graduate:
Dept. of Electronic Engineering Microelectronics & Solid State Electronics Semiconductor Material & Device Professor Shi Yanling Zhang Mengdi
华东师范大学硕士研究生学位论文
2012 届研究生硕士学位论文
学校代码：10269 学 号：51091202025
基于 PSP 模型的 40nm MOS 器件 HCI 可靠性模型研究
院 专 系：信息科学技术学院电子工程系 业： 微电子学与固体电子学 半导体材料与器件 石艳玲教授 张孟迪
研究方向： 指导教师： 论文作者：
II
华东师范大学硕士研究生学位论文
目录
摘要 .................................................................................................................................................................. I ABSTRACT ........................................................................................................................................................ II 第一章 绪论 .................................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ................................................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................................... 2 1.3 本课题的意义和目标 ............................................................................................................................ 3 第二章 HCI 效应的物理机制以及对器件可靠性影响研究 ............................................................................. 5 2.1 MOS 器件 HCI 效应的物理机制.............................................................................................................. 5 2.1.1 热载流子定义 ................................................................................................................................. 5 2.1.2 热载流子效应 ................................................................................................................................ 6 2.1.3 JEDEC 标准中的热载流子寿命推算................................................................................................. 8 2.2 电荷泵技术对热载流子效应的评估.................................................................................................... 11 2.2.1 测试原理和方法............................................................................................................................ 12 第三章 仿真器与模型的发展 ....................................................................................................................... 14 3.1 SPICE 仿真器 ........................................................................................................................................ 14 3.2 PSP 模型的发展.................................................................................................................................... 15 3.2.1 PSP 模型的建立............................................................................................................................. 16 3.2.2 PSP 模型的结构............................................................................................................................. 17 3.2.3 几何缩放 ...................................................................................................................................... 18 3.2.4 PSP 模型的修正............................................................................................................................. 20 3.3 HCI 可靠性模型的发展......................................................................................................................... 23 第四章 基于 SPICE PSP 的 HCI 可靠性模型研究 ........................................................................................... 25 4.1 HCI 效应的 PSP 模型模拟 ..................................................................................................................... 25 4.2 可缩放 HCI 可靠性模型的提出 ............................................................................................................ 29 4.2.1 HCI 效应对器件性能的影响 .......................................................................................................... 29 4.2.2 提出模型及相关因子分析............................................................................................................ 29 第五章 可缩放 HCI 模型的实现.................................................................................................................... 33 5.1 数据测试及模型提取 .......................................................................................................................... 33 5.1.1 初始模型的数据测试与参数提取 ................................................................................................ 33 5.1.2 HCI 可靠性数据测试与模型提取流程 ........................................................................................... 37 5.2 HCI 可靠性模型中数学公式的嵌入...................................................................................................... 39 5.3 模型仿真结果 ...................................................................................................................................... 41 结论和展望.................................................................................................................................................... 46 硕士期间发表学术论文................................................................................................................................. 47 参考文献........................................................................................................................................................ 48 致谢 ............................................................................................................................................................... 52
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张孟迪硕士学位论文答辩委员会成员名单
姓名 职称 单位 备注 主席
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摘要
随着 VLSI 工艺深入到纳米量级，MOSFET 的沟道长度、宽度、结深、氧化层厚度 等参数不断减小，而电源电压降低的速度则小于 MOSFET 尺寸缩小的速度，进而器件 热载流子注入效应变得越来越严重。 近年来，科研人员提出了电路设计领域的新概念——可靠性设计，即在电路设计时 就考虑可靠性对电路性能的影响，通过精确的表征器件性能退化趋势的可靠性模型，对 设计电路进行可靠性分析和仿真，评估所设计电路的性能衰变趋势，进而优化设计，降 低成本。而目前业界的可靠性物理模型主要用于器件寿命评估，无法表征在热载流子退 化过程中器件电学性能参数随时间的精确变化趋势。 本文在 MOSFET 可靠性仿真解决方案 MOSRA 的基础上，提出了一个新的基于 SPICE PSP 的可靠性模型， 用于描述 40nm MOSFET 在 HCI 退化过程中电学性能随着使 用时间的变化。 研究中设计并制备了 40nmLL 工艺的 1.1V nMOSFET， 采用 Aglient 4156c 测试系统、 Cascade S300 探针台和 MBP 参数提取软件进行器件可靠性数据采集和仿真， 通过对 3 种不同应力电压下的加速测试、参数提取及模拟仿真，得到了基于 PSP 模型的 可尺寸扩展（Scaling）的可靠性模型。 通过分析 MOSRA 模型中参数的物理意义，并与测试数据相比对，本文选定了 4 个 HCI 效应中与尺寸相关的参数， 其中与阈值电压随时间漂移关联的参数为： HN、 LTHCI0， 与迁移率随时间漂移相关的参数为：HK、LUHCI0，并对它们进行时间和尺寸调制因子 的拟合，然后将新模型的公式以子电路和调用参数的形式加入到 MOSRA 模型卡中，再 以模型卡的形式嵌入到初始 SPICE PSP 模型中。 将新模型的仿真器设置为 HSPICE 进行 仿真验证，发现它与 HCI 加速测试下的数据有较好的吻合。研究中所有尺寸 MOSFET 器件的模型和测试数据误差在对应阈值电压 Vth 时小于 3%， 对应 Idlin 和 Idsat 时小于 5%。 这表明该模型可用于预测器件的时域电学特性，对于 VLSI 器件及电路的设计有指导意 义。 本论文受国家科技部重大专项（核高基） “ 45nm 成 套 产 品 工 艺 及 IP-1 ” （2009ZX02023-2-1）子课题资助。 关键词：PSP 模型，HCI，MOSRA，可靠性建模
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