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电路级NBTI效应的研究

作　者: 宋芳芳
导　师: 李斌
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 负偏压温度不稳定性 动态NBTI效应 阈值电压 延迟时间
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 83次
引　用: 1次
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内容摘要


随着器件尺寸及栅氧厚度的不断缩小,NBTI效应已经成为影响MOS器件可靠性的重要因素。有报道表明,在0.18?m工艺技术后,NBTI效应引起的器件寿命退化比热载流子(HC, Hot carrier)效应更为严重,NBTI效应将最终限制器件的寿命。在经历了较深入的器件级NBTI失效机理和工艺改进研究后,电路级NBTI退化研究和考虑NBTI效应的电路可靠性设计已成为新的研究热点。本文基于上海华虹NEC提供的0.18?mCMOS工艺测试样品,对动态NBTI效应以及其对数字电路的影响进行了深入的研究。通过动态NBTI效应的研究发现,在应力前后器件的特性参数发生了漂移,并且在相同有效应力时间和相同应力设置的作用下,动态应力引起的阈值电压漂移量ΔVth和静态应力一样遵循时间指数的关系,但是阈值电压漂移量ΔVth明显地要小于静态应力条件下的漂移量。实验结果也表明,在低频条件(小于100KHz)下,频率对于NBTI效应的影响比较小,而NBTI寿命会随着占空比的减小而增加。在此基础上,基于静态NBTI效应模型以及R-D模型推导出了动态NBTI效应的模型,并和实验数据进行了比较,得到了很好的吻合,可以用这个模型来预测器件的寿命。在对动态应力条件下NBTI效应的研究基础上,进一步研究NBTI效应对于数字电路的影响。本论文通过电路仿真软件HSPICE对0.18?m工艺的数字电路基本逻辑单元和环形振荡器进行仿真分析,发现电路的延迟时间变化比器件的阈值电压退化要小,而且在相同输入的情况下,NBTI效应对不同的逻辑门的影响程度不同。当阈值电压漂移20mV时,或非门的延迟时间增加到4.17%,而与非门的延迟变化最小2.29%。对于环形振荡器,在NBTI应力作用下,延迟时间和振荡频率的退化会随着电源电压的减小而增大。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 集成电路可靠性研究的意义  10-12
  1.2 NBTI 效应已经成为影响集成电路可靠性的关键因素.  12
  1.3 NBTI 效应的研究现状.  12-15
    1.3.1 NBTI 效应的退化机理及影响因素  13
    1.3.2 NBTI 效应的寿命模型  13-14
    1.3.3 NBTI 效应对数字电路和模拟电路的影响  14-15
  1.4 本论文的主要研究工作  15-17
第二章 PMOSFET 的动态NBTI 效应研究  17-32
  2.1 实验方案与实施  17-21
    2.1.1 实验样品  17-18
    2.1.2 实验装置和实验方案  18-21
  2.2 动态NBTI 效应实验  21-24
  2.3 DNBTI 的动态恢复机制.  24-26
  2.4 DNBTI 效应与频率、占空比、栅电场等的关系  26-31
    2.4.1 DNBTI 效应与频率的关系  26-28
    2.4.2 DNBTI 效应与占空比的关系  28-29
    2.4.3 DNBTI 效应与应力中断期间栅电场的关系  29-30
    2.4.4 DNBTI 效应与栅长的关系  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章PMOSFET 的动态NBTI 效应模型  32-39
  3.1 动态NBTI 效应模型.  32-34
    3.1.1 反应-扩散模型（R-D model）  32-34
    3.1.2 动态NBTI 效应模型  34
  3.2 模型验证  34-38
    3.2.1 占空比c 与阈值电压漂移ΔVth 的关系  35-36
    3.2.2 静态NBTI 效应的经验模型.  36-37
    3.2.3 动态NBTI 效应模型验证.  37-38
  3.3 本章小结  38-39
第四章 NBTI 效应对数字电路性能的影响  39-51
  4.1 基于Hspice 的电路级NBTI 效应的仿真  39-41
  4.2 NBTI 效应对CMOS 反相器的影响  41-45
    4.2.1 CMOS 反相器中的退化模式.  41-43
    4.2.2 电路退化的NBTI 模型.  43-45
  4.3 NBTI 效应对基本逻辑单元的影响.  45-48
  4.4 NBTI 效应对环形振荡器的影响  48-50
  4.5 本章小结  50-51
结论与展望  51-53
参考文献  53-57
攻读硕士期间发表的学术论文  57-58
致谢  58

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件
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