[发明专利]MOS器件非均匀界面退化电荷的数值模拟方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于MOS器件技术领域，尤其涉及MOS器件非均匀界面退化电荷的数值模拟方法及系统。

背景技术

从集成电路自身发展规律来说，高性能和高可靠性始终是其发展的两个制高点。集成电路的发展一方面朝着更大规模的集成度发展，使得器件和电路的性能得到提高，单位电路的生产成本下降，这是集成电路技术发展的原动力；另一方面可靠性问题始终伴随着集成电路技术的发展和应用，并且随着集成电路特征尺寸的进一步减小，可靠性问题变得越来越突出，其中最主要的因素就包括NBTI（Negative Bias Temperature Instability，负偏压温度不稳定性）效应和HCI（Hot Carrier Injection，热载流子注入）效应等。

NBTI报道源于1967年，对特征尺寸较大，栅氧化层较厚的半导体器件，NBTI对其性能影响并不大；然而随着器件尺寸的减小，加在栅极氧化层上的电场越来越高，工作温度也相应提高，在CMOS工艺中pMOS器件引起的NBTI对器件可靠性的影响已经超过了热载流子HCI效应，因此近年来重新成为器件可靠性研究的热点，引起了广泛关注。

但是典型NBTI效应是指器件栅极V_g接负电压，源极V_s和漏极V_d接地，器件栅氧化层内的电场是均匀分布的，致使NBTI退化引起的栅氧化层界面电荷数N_it也是均匀分布，如图1所示，其中，x代表器件沟道方向，y代表器件栅氧化层方向，101表示栅氧化层电场，102表示硅层衬底。因此，器件的阈值电压退化可以用一个简单的公式来计算：ΔV_th=_qN_itT_ox/ε_i，其中，q是电荷电量，T_ox是氧化层厚度，ε_i是栅极绝缘层的介电常数。

而在实际的电路中，如模拟电路和RF电路，漏极经常接工作电压V_d=V_g（HCI应力），使得器件参数的退化更为复杂，不仅包括NBTI部分，而且还不可避免地伴随着HCI退化，如图2所示，其中，x代表器件沟道方向，y代表器件栅氧化层方向，101表示栅氧化层电场，102表示硅层衬底。在HCI应力下，器件栅氧化层内的电场和电荷的分布都不是均匀的，靠近源极的电荷较多，靠近漏极的电荷较少，这时器件阈值电压退化就不能用这个简单的公式计算！不同的漏极电压会引起不同栅氧化层退化电荷的分布，即使两种NBTI退化产生的电荷遵守同样的规律（如R-D模型），器件阈值电压的退化也不可能是一样的。文献把这种由于NBTI效应产生的非均匀栅氧化层电荷引起的器件退化，称为纯偏置NBTI（pure drain bais NBTI即pure-DBNBTI，纯偏置负偏压温度不稳定性）效应。显然研究纯偏置NBTI退化更具有实际的意义。在短沟道pMOS器件中，用实验的方法很难将其中NBTI和HCI完全分离开来，因而其中的纯偏置NBTI效应更是难于精确研究；用数值模拟（TCAD）的方法分析又得不到商业软件的支持，从而使得这方面的研究遇到了很大的困难和挑战。

现有技术对半导体MOS器件数值模拟分析一般使用商业软件，如Synopsys公司的MEDICI和Silvaco公司的ATLAS，也有用开源数值模拟软件，如Gogenda公司的Genius-Open和中国科技大学的GSS等。使用上述软件对MOS器件进行数值模拟，一般都是使用软件设计好的模型和方法，按照用户手册逐步进行模拟分析。但是对于一些新的效应，这些软件没有设计好模型和方法，因此也就不能进行模拟。MOS器件的非均匀界面退化电荷就是这样，使用这些软件时存在以下问题：

1）这些软件里模拟MOS器件的界面电荷是考虑器件制造过程中由于工艺过程产生的界面电荷，因此是均匀分布的。不能模拟非均匀界面电荷产生和对器件参数的影响。

2）这些软件没有考虑非均匀界面电荷，认为界面电荷是均匀的，用一个界面电荷常量N_it来描述，从而软件底层不支持非均匀界面电荷。

3）这些软件没有预留出各种界面电荷退化的模型接口，用户不能添加各种效应引起界面电荷的退化模型。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容