纳米MOS器件与电路的热载流子退化研究

Hot carrier degradation (HCD) is one of the limiting reliability issues for nanoscale MOS devices and circuits. Different from traditional carrier-based approach, this project will investigate the hot carrier degradation from trap-based approach. The main content of this project includes the characterization method for HCD in nanoscale MOS devices, comprehensive characteristics of HCD in the full Vgs/Vds bias conditions, the trap-based aging model for HCD which is unified across different carrier-transport bias regions and can cover the non-conventional power-law time dependence, HCD-induced circuit failure, and circuit reliability simulation method for HCD. In addition to planar MOS devices, this project will be focused on the state-of-the-art FinFET devices, which also can cover the impacts of self-heating. The innovations will be performed in terms of physical mechanisms, characterization techniques and aging model in this project, which is helpful for the reliable application of nanoscale integrated circuits.

热载流子退化是制约纳米MOS器件和电路可靠性的关键问题之一。与传统研究从载流子输运机制的出发点不同，本项目将从陷阱性质的角度出发，对热载流子退化进行一系列深入的理论和实验研究，主要包括：适于纳米MOS器件的热载流子退化的成套表征方法；全偏置域下热载流子退化的特性和规律；基于陷阱的热载流子退化的器件老化模型，在不同的载流子输运偏置条件下具有统一的形式，并能涵盖偏离传统单一幂指数律的时间依赖性；器件热载流子退化引起的典型电路失效的特性和规律；适于热载流子退化的电路可靠性仿真方法。除了平面MOS器件之外，本项目将重点基于先进的FinFET器件进行研究和验证，并涵盖自加热效应的额外影响。本项目将在物理机理、表征技术、老化模型等方面进行创新，并紧贴纳米尺度集成电路应用进行研究，具有重要的科学意义和应用价值。

本项目围绕“纳米MOS器件与电路的热载流子退化研究”的申请方向，按照既定计划，完成了相关研究，并额外进行了计划外的若干研究内容，达到了预定目标，取得了系列成果。.进入FinFET时代以来，新结构和新材料的引入使得器件的热载流子退化（HCI）日趋严重，成为限制器件可靠性的关键瓶颈之一。然而，传统基于载流子机制的研究范式在纳米尺度和FinFET结构遇到了巨大的挑战。本项目另辟蹊径，首次从缺陷产生机制的角度阐明了HCI的退化物理，解决了两种载流子激发机制共存、无法统一的难题，从器件可靠性实验表征、可靠性机制分析与模型建立、电路可靠性影响等方面加深了对于HCI的理解。特别是，提出了FinFET器件HCI的老化集约模型，利用不同位置缺陷去耦合表征，首次统一涵盖了全电压域的实验结果。此外，还前瞻性地研究了原子尺度的HCI理论模拟、HCI和温度偏压不稳定性（BTI）的耦合退化等。上述成果为集成电路器件的退化机制提供了新的研究范式和新的发现，为先进工艺节点的可靠性设计提供了关键解决方案。.基于上述研究，发表了多篇学术论文，其中包括专业顶级会议IEDM论文3篇、专业顶级期刊IEEE TED/EDL论文4篇；应邀作IEEE国际学术会议特邀报告4次。特别是，项目负责人在专业顶级会议IEDM 2021上应邀作了题为《Understanding Hot Carrier Reliability in FinFET Technology from Trap-based Approach》的特邀报告，介绍了本项目取得的研究进展，得到了广泛关注。相关成果还得到了产业应用，提出的部分模型及其电路可靠性仿真方法，已经集成到了Cadence的EDA工具AgeMOS2和RelXpert模块中。