低频交流应力模式下NBTI退化预测的解析方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种低频交流应力模式下NBTI退化预测的解析方法，包括以下步骤：步骤一：获取p‑MOSFET器件的NBTI退化反应‑扩散模型参数；步骤二：基于基础反应‑扩散理论和H2的锁定效应，得出描述NBTI直流施压/恢复阶段的解析模型；步骤三：基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力模式下任意时刻的迭代解析模型和交流周期中施压ON阶段结束时刻和恢复OFF阶段结束时刻NBTI的非迭代解析模型；步骤四：根据解析模型，预测p‑MOSFET器件的NBTI低频交流应力退化模式下阈值电压退化情况。

Analytical method and system for NBTI degradation prediction under low frequency AC stress mode

The present invention proposes an analytical method for NBTI degradation prediction under low frequency AC stress mode, including the following steps: Step 1: obtaining the parameters of the NBTI degenerate diffusion model for the NBTI degradation reaction of MOSFET devices; step two: Based on the diffusion theory of the basic reaction and the locking effect of H2, the solution describing the NBTI DC pressure / recovery phase is obtained. Analysis of the model; step three: Based on the fast acquisition / release of the electron, the iterative analytical model describing the NBTI low frequency AC stress mode at any time and the end time of the pressure ON phase and the end time of the OFF phase in the AC cycle are obtained. Step four: according to the analytical model, the P MOSFET device is predicted. Threshold voltage degradation of NBTI under low frequency AC stress degradation mode.

【技术实现步骤摘要】
低频交流应力模式下NBTI退化预测的解析方法及系统
本专利技术属于半导体
，尤其涉及低频交流应力模式下NBTI退化预测的解析方法及解析系统。
技术介绍
负偏压温度不稳定性(NBTI)对于今天的高介电常数、金属栅平面MOSFET和FinFET器件而言，依然是一个值得关注的可靠性问题。NBTI效应导致器件参数退化，例如阈值电压(ΔVT)上升、线性和饱和漏极电流下降、跨导和亚阈值斜率减小等，从而降低数字电路、模拟电路和存储器的性能。在过去的几十年，NBTI的物理机制得到深入研究，并且对此产生了不同的解释。反应-扩散理论描述在Si/SiO2界面产生的陷阱(ΔNIT)，与工艺相关的栅绝缘体原生缺陷(ΔNHT)和栅绝缘层内部生成的陷阱(ΔNOT)被普遍认为是NBTI退化的原因。研究表明这三部分对于阈值电压的影响相互不相关。ΔNOT与栅氧化层击穿密切相关，特别是在厚栅绝缘层器件、高施压温度和施压电压扮演重要角色。当NBTI应力撤销后，低于费米能级的界面缺陷会捕获电子而得到恢复。相应的，当这些缺陷在再次受压时会再次释放电子。值得注意的是，这些缺陷对于电子的捕获/释放是一个快速过程。另外，由于在器件退化过程中一部分H2陷入缺陷而无法参与恢复过程，该部分对应的NBTI退化将无法恢复。在实际工作条件下，CMOS电路中p-MOSFET器件处于交流应力或者混合应力模式下。在这样的动态条件下，NBTI退化及恢复特性变得相当复杂。为了能预测NBTI在低频交流应力条件下的退化特性，在考虑H2锁定效应和电子快速捕获/释放的基础上，本专利技术提出了一种简洁NBTI低频交流解析模型。该模型具备物理意义且形式简洁，与文献实测数据相吻合。
技术实现思路
本专利技术提出了一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，将H2锁定效应和电子快速捕获/释放特性引入到NBTI退化的计算模型推导中，所获得表达式可用于计算低频交流(AC)应力模式下PMOS器件NBTI的退化特性。本专利技术预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，包括以下步骤：步骤一：获取p-MOSFET器件的NBTI退化反应-扩散模型参数；步骤二：基于基础反应-扩散理论和H2的锁定效应，得出描述NBTI直流(DC)施压/恢复阶段的解析模型；步骤三：基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力施压情况下引起的阈值电压退化量与时间迭代解析模型和描述NBTI低频交流应力周期中施压ON阶段结束时刻和恢复OFF阶段结束时刻的阈值电压退化量与时间的非迭代解析模型；步骤四：根据解析模型，预测p-MOSFET器件的NBTI低频交流应力退化模式下阈值电压退化情况。其中，步骤四中，对所述预测p-MOSFET器件的NBTI低频交流应力退化的具体步骤如下：步骤4a:根据文献获得器件在AC施压的第一个施压阶段栅绝缘体原生缺陷(ΔNHT)引起的阈值电压退化量ΔVHT0，再结合文献中器件在AC情况下的阈值电压退化量，拟合得到解析模型中相关参数；步骤4b:利用拟合获得参数，该解析模型便能预测低频AC应力模式下NBTI退化。本专利技术提出的一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，步骤一中，所述获取p-MOSFET器件的NBTI退化反应-扩散模型参数包括：阈值电压退化量。本专利技术提出的一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，步骤二中，考虑H2的锁定效应，所述描述NBTI直流(DC)施压/恢复阶段的一般解析模型如下：其中，式(i)中ΔNIT表示直流应力阶段t时刻的界面陷阱，t表示受压时间。式(ii)中ΔNIT(t)表示在t时刻没有恢复的界面陷阱，tstr表示器件受压时间，trec表示器件恢复时间，t表示受压时间和恢复时间之和，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2占总缺陷量的比例。本专利技术提出的一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，第一个交流施压周期施压阶段结束后界面陷阱浓度根据上述(i)式可表达为从而得到第一个交流周期恢复阶段结束时的界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比：式(iii)中，tP＝tON+tOFF是AC应力施加周期，tOFF表示交流应力周期内恢复时间，tON表示交流应力一个周期内施压时间，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2占总缺陷量的比例。为了简化模型迭代，NBTI在一个AC周期应力的复杂情况，引入式子R2DtONn＝Dten。，得到第二个AC周期应力施压阶段下任意有效时间内与第一个交流周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度的比值如下：式(iv)中，β是施压阶段中有效施压时间与施压时间之比，如图3所示。根据式(iv)，推出第k个AC周期应力施压状态下任意有效施压时间内生成的界面缺陷密度与第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度的比值可以表示为：式(v)中，R2k-2表示第(k-1)个AC应力周期恢复阶段结束时与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱密度之比。与描述DC施压后恢复阶段的NBTI解析方法类似，根据上述(ii)-(iv)式得出第二个AC周期应力恢复阶段任意有效恢复时间内与第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度比值：式(vi)中，γ表示AC周期应力中恢复阶段中有效恢复时间和恢复时间之比，如图3所示。tOFF表示AC应力一个周期内恢复状态持续时间，tON表示AC应力一个周期内施压状态持续时间，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2分量占总量之比，R2表示第一个AC周期应力恢复阶段结束时界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比，R3表示第二AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比。根据式(vi)，递推出第k个AC周期应力恢复阶段下任意有效时间内生成的界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时生成的界面陷阱浓度之比可表示为：式(vii)中，R2k-1表示，第k个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度的比值，R2k-2表示第(k-1)个AC周期应力恢复阶段结束时的界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度的比值，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2分量占总量之比。结合(i),(v)和(vii)，同时考虑电子的快速捕获/释放，引入参数FFAST，得到所述描述NBTI低频AC周期应力施压情况下引起的阈值电压退化量与时间的迭代解析表达式：式(viii)和(ix)中，t表示AC应力施加时间，k表示AC应力施加周期数，tP＝tON+tOFF是AC应力施加周期，tON表示AC应力周期中施压状态持续时间，ΔVIT0表示在第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱导致的阈值电压偏移量，可用式(i)计算，ΔVHT0表示栅绝缘层原生缺陷(ΔNHT)引起的阈值电压退化量，R2k表示第k个AC周期应力恢复阶段结束时界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度之比，FFAST表示界面陷阱快速恢复量在总的界面缺陷中的比重，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2分量占总量之比。对描述任意AC施压情况下NBTI引起的阈值电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获取p‑MOSFET器件的NBTI退化反应‑扩散模型参数；步骤二：基于基础反应‑扩散理论和H2的锁定效应，得出描述NBTI直流DC施压/恢复阶段的解析模型；步骤三：基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力施压情况下引起的阈值电压退化量与时间的迭代解析模型；基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力周期中施压ON阶段结束时刻和恢复OFF阶段结束时刻的阈值电压退化量与时间的非迭代解析模型；步骤四：根据解析模型，预测p‑MOSFET器件的NBTI低频交流应力退化模式下阈值电压退化情况。

【技术特征摘要】
1.一种预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：获取p-MOSFET器件的NBTI退化反应-扩散模型参数；步骤二：基于基础反应-扩散理论和H2的锁定效应，得出描述NBTI直流DC施压/恢复阶段的解析模型；步骤三：基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力施压情况下引起的阈值电压退化量与时间的迭代解析模型；基于电子的快速捕获/释放，得出描述NBTI低频交流应力周期中施压ON阶段结束时刻和恢复OFF阶段结束时刻的阈值电压退化量与时间的非迭代解析模型；步骤四：根据解析模型，预测p-MOSFET器件的NBTI低频交流应力退化模式下阈值电压退化情况。2.根据权利要求1所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，步骤一中，所述获取p-MOSFET器件的NBTI退化反应-扩散模型参数包括：初始阈值电压退化量。3.根据权利要求1所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，步骤二中，所述描述NBTI直流DC施压/恢复阶段的解析模型如下：其中，式(i)中ΔNIT表示直流应力阶段t时刻的界面陷阱，t表示受压时间；式(ii)中ΔNIT(t)表示在t时刻没有恢复的界面陷阱，tstr表示器件受压时间，trec表示器件恢复时间，t表示受压时间和恢复时间之和，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2占总缺陷量的比例。4.根据权利要求3所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，第一个交流施压周期施压阶段结束后界面陷阱浓度根据上述(i)式可表达为从而得到第一个交流周期恢复阶段结束时的界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比：式(iii)中，tP＝tON+tOFF是AC应力施加周期，tOFF表示交流应力周期内恢复时间，tON表示交流应力一个周期内施压时间，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2占总缺陷量的比例。5.根据权利要求4所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，引入式子R2DtONn＝Dten。，得到第二个AC周期应力施压阶段下任意有效时间内与第一个交流周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度的比值如下：式(iv)中，β是施压阶段中有效施压时间与施压时间之比。6.根据权利要求5所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，根据式(iv)，推出第k个AC周期应力施压状态下任意有效施压时间内生成的界面缺陷密度与第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度的比值可以表示为：式(v)中，R2k-2表示第(k-1)个AC应力周期恢复阶段结束时与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱密度之比。7.根据权利要求3所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，根据所述(ii)式可得出第二个AC周期应力恢复阶段任意有效恢复时间内与第一个AC周期应力施压阶段结束时界面陷阱浓度比值：式(vi)中，γ表示AC周期应力中恢复阶段中有效恢复时间和恢复时间之比；tOFF表示AC应力一个周期内恢复状态持续时间，tON表示AC应力一个周期内施压状态持续时间，ξ是描述H2扩散特性的拟合常量，α表示被缺陷锁定的H2分量占总量之比，R2表示第一个AC周期应力恢复阶段结束时界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比，R3表示第二AC周期应力恢复阶段结束时界面陷阱浓度与第一个AC周期应力施压阶段结束时的界面陷阱浓度之比。8.根据权利要求7所述的预测低频交流应力模式下NBTI退化的解析方法，其特征在于，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小进，张珀菁，曾严，孙亚宾，石艳玲，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31