基于TDDB效應的年齡傳感器技術研究.pdf

1、隨著集成電路制造工藝技術的不斷進步，器件尺寸快速縮小，電源電壓持續(xù)降低，電路的集成度大大提高，可由此帶來的集成電路老化問題變得日益嚴重。當集成電路的特征尺寸低于90nm時，柵氧化層內的電場強度急劇增大，與時間相關的柵介質擊穿（TDDB，Time Dependant Dielectric Breakdown）效應已經(jīng)成為集成電路芯片的主要老化原因。集成電路行業(yè)更新?lián)Q代很快，電路老化后的芯片性能變差最終會被淘汰，然而這些舊芯片報廢后未被銷毀

2、并重新進入市場。據(jù)報道，市場中的假冒IC芯片數(shù)量不斷上漲，甚至呈指數(shù)增加。由于現(xiàn)今的研究技術還不夠完善且不適宜用戶使用，這些假冒芯片不易被檢測。本文據(jù)此希望研發(fā)一種可以檢測芯片使用年齡的片上傳感器技術，用于監(jiān)測芯片的使用時間，甄別回收芯片。
　　本研究主要內容包括：⑴對柵氧氧化層的擊穿機理和幾種主要的TDDB模型進行詳細的分析。采用恒定電壓法，針對TSMC0.18μm工藝，對寬長比0.22/0.18，柵氧化層厚度為3.56nm的N

3、MOSFET分別進行溫度和電壓應力加速實驗，測試其相應的擊穿時間。利用不同應力下的樣品擊穿時間得到相應的柵氧化層累積失效分布圖和特征壽命，并完成V模型中各參數(shù)的提取與驗證工作。⑵學習研究年齡傳感器的相關概念與研究成果，利用電路老化的TDDB效應，提出一種新型的基于冗余預兆單元的年齡傳感器結構。該傳感器包含應力電壓生成電路、待測單元電路和微電流轉換電路。相較于以往的年齡傳感器設計，本文提出的傳感器無需設置參考電路，只需通過對冗余待測單元（

4、DUT）的TDDB擊穿監(jiān)測，利用NMOSFET的TDDB壽命模型計算出芯片的使用年齡，消除了參考電路帶來的不準確性，因此壽命計算具有更高的準確性。⑶設計所提傳感器結構中的各模塊電路，并利用Cadence Virtuoso仿真工具對電路進行仿真。結果表明，DUT中處于應力條件下的NMOSFET未發(fā)生TDDB擊穿前，電路輸出信號為低電平；發(fā)生TDDB擊穿瞬間，電路監(jiān)測到電流變化，輸出信號變?yōu)楦唠娖?，實現(xiàn)了所提年齡傳器中對電路模塊的功能要求。