mosfet器件性能参数退化的spice模型分析

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1、万方数据东南大学硕士学位论文VI万方数据第一章绪论第—章绪论本章简述了课题的研究背景，首先，简单对MOSFET器件所面临的一系列可靠性问题进行了概述，详述了MOSFET器件的工作原理及结构特点，分析了MOSFET器件可靠性的退化机理，接着讲解了什是SPICE模型并对MOSFET器件可靠性SPICE模型研究的必要性进行了论述，然后介绍了MOSFET器件可靠性SPICE模型的研究现状，最后说明了本文研究的主要内容和设计指标。1．1课题背景与意义1．1．1课题背景当今电子信息技术迅猛发展，已经进入了人们生活的方方面面，而微电子技术作为

2、电子信息技术的基础，更是在科技革命中发挥着不可或缺的作用。随着集成电路规模的不断增加及其性价比的不断提高，带动了信息产业的各个领域发生着日新月异的变化，并且随着微电子技术与其他工业传统技术的巧妙结合，从而使传统技术展现出了新的生命力。功率集成电路集功耗低、密度高、速度快、体积小等优点于一身，同时它的成本低，在国民经济中发挥着非常重要的作用，它不仅在民用公用电子设备方面得到了广泛的应用，同时也广泛的应用在了遥控、军事、通讯等方面。用MOSFET器件装配而成电子设备，比之用晶体管，不仅几十倍乃至几千倍的提高了装配密度，而且大大提高了

3、电子设备可以稳定工作的时间。如今的超大规模集成电路正朝着高性能和高可靠性两个方向迅猛发展，一方面是大规模集成电路发展的源动力，即追求更大规模的集成度，使得器件和电路性能得到提升的同时降低单位电路的生产成本，另一方面集成电路的可靠性问题成为制约集成电路往更大规模发展的重要因素，随着航空航天技术的应用以及各种军用民用设各向多功能化、高集成化发展，可靠性问题往往与其他技术问题占据着同等重要的位置，在有些方面对可靠性要求的苛刻程度甚至超过了其他技术问题。随着电路中器件和互连技术的不断发展，集成电路中的可靠性问题日益明显。MOSFET器件

4、是一种重要的半导体器件，如今已广泛应用在数字电路和模拟电路中。由于MOSFET器件的工艺简单并且有利于集成，比双极型晶体管的功耗小，这些优点使得MOSFET器件在存储电路及逻辑电路中有很大的用武之地，因此在对MOSFET器件性能的研究中已经投入了大量的人力物力。根据有源区及衬底掺杂的不同，MOSFET器件可以分为P型和N型，分别称为NMOSFET器件和PMOSFET器件。NMOSFET器件的导电沟道为N型，导电的载流子为电子，PMOSFET器件的导电沟道为P型，导电的载流子为空穴。典型的NMOSFET器件做在P型衬底上，这样反向

5、偏置的PN结可以起到隔离的作用，万方数据东南大学工程硕士学位论文同理，典型的PMOSFET器件做在N型衬底上。下面以NMOSFET器件为例来介绍一下MOSFET器件的工作原理，得出的结论同样适用于PMOSFET器件。如图1．1所示为NMOSFET器件的基本结构，两个N掺杂的区域分别构成了NMOSFET器件的源极和漏极，他们之间的横向距离为栅长L，当栅上的电位小于NMOSFET器件的开启电压％时，P型衬底的表面并没有形成导电沟道，因此NMOSFET器件处于关断状态，当栅上的电位大于NMOSFET器件的开启电压时，在P型衬底的表面便

6、聚集了足够多的电子使表面反型，形成N型的导电沟道，这时如果在漏极一个正电压，便有电子从源极流出通过导电沟道流到漏极，形成电流。棚极图1．1n沟道MOSFET器件基本结构为了提高集成度和电路的工作速度，MOSFET器件的尺寸也在不断缩小。Dennard等人在1974年提出了恒场缩小理论，基本指导思想是在缩小器件尺寸的同时要保持器件内部的电场不变【旧，但是由于工艺及器件性能的限制，该理论并不能够被很好地执行。因为随着器件的缩小，沟道尺寸减小的速度比结深减小的速度来的更快，当沟道尺度和结深可以比拟时，器件内部的场量就会发生严重的畸变，

7、从而影响载流子的运动轨迹，由此可知恒场缩小规则存在着其固有的局限性。同时随着器件尺寸的缩小，本来在大尺寸器件中可以忽略的效应，在小尺寸器件中却变得非常明显，甚至成为主导的因素p，41，这使得器件的缩小趋势脱离了恒场规则，随着器件尺寸的缩小，氧化层的电场是逐渐增加的，这样，即使加在器件外部的电压很小也会在器件内部有一个很强的电场，这个很强的电场会对载流子的运动轨迹产生强烈的影响。这些都会引发一系列的可靠性问题，热载流子效应以及NBTI效应就是其中两个比较显著的可靠性问题。1)热载流子效应与NBTI效应热载流子效应是引起MOSFET

8、器件性能参数退化的重要因素。在强电场的作用下，MOSFET器件中载流子的平均动能会显著超过热平衡载流子的平均动能，这种被显著加热了的载流子就被称为热载流子[5．61，简而言之，热载流子就是能量较高的载流子，其运动速度很高。对半导体器件来说，随着器件尺寸的缩小，即