2c-NBTI詳細介紹課件

NBTI：物理、材料、電路問題和表征技術(shù)負偏壓溫度不穩(wěn)定性NegativeBiaseTemperatureInstability－NBTI概述－測量方法－物理機制－電路問題－影響因素氫、氮、水、氟、氘、硼應(yīng)力條件NBTI概述－問題主要出現(xiàn)在pMOSFET的反型工作狀態(tài)－相對與源漏、襯底的負柵壓；越負引起退化越嚴(yán)重VDDVDDVG=0－器件參數(shù)(VT,Gm,IdLin,IdSAT等)隨NBTI時間漂移：不穩(wěn)定性－更高的偏壓和溫度產(chǎn)生影響越大－SiON薄膜中問題更嚴(yán)重－目前最嚴(yán)重的可靠性問題NBTI應(yīng)力引起器件退化Yamamoto,TED1999ID減小產(chǎn)生正電荷VT負向漂移增加了BTBT電流壓閾擺幅退化NBTI應(yīng)力條件－負柵壓或者升溫會分別導(dǎo)致NBTI，二者的共同影響會更強和更迅速氧化層電場通常低于6MV/cm

應(yīng)力溫度：100～250oC

漏電流、跨導(dǎo)下降和關(guān)態(tài)電流上升閾值電壓絕對值增加－高性能IC正常工作條件會接近這樣的電場和溫度器件壽命的限制NBTI已成為當(dāng)前和未來工藝的主要可靠性問題驅(qū)動能力Cgd增加

延遲時間，tdNBTI閾值電壓，VT

跨導(dǎo)，gm

壓閾擺幅，S

遷移率，

eff

漏電流，ID,lin，ID,sat器件特性電路影響界面陷阱，Dit

氧化層電荷，Not物理機制最早的NBTI1976年，早期MOS器件研制過程就發(fā)現(xiàn)了負柵壓下產(chǎn)生了固定電荷和界面態(tài)典型的NBTI界面陷阱Dit和正氧化層電荷Not的產(chǎn)生速率相近MOSFET特性－漏電流依賴于

尺寸：W，L，Cox

遷移率：

eff

電壓：VG，VD，VT－延遲時間：td改變超過一定限度失效閾值電壓和跨導(dǎo)電荷泵電流Icp

界面陷阱Dit

跨導(dǎo)gm

eff

~DitNBTI測量方法測量延遲問題10210110010-1103109105107101Time(sec)VTShift(mV)延遲–恢復(fù),最初時間恢復(fù)非常快無延遲–真正指數(shù)關(guān)系TrueExponentApparentexponent

常規(guī)方法得到下包線–更高的指數(shù)系數(shù)測量延遲問題IDLIN

測量測量延遲越大更多的恢復(fù)而且更大的效率Varghese,IEDM2005StressMeasurement-VG(M)-VG(S)M-time‘On-the-fly’測量方法:|Vg|StressTime|Vd|25mVIdId(n-1)Id(n)Stress與傳統(tǒng)方法的比較?Vt(on-the-fly)>10×?Vt(傳統(tǒng))超過10倍遷移率的影響

也可以導(dǎo)致Idm<1,也引起

Id但都歸為

Vth

Vth被高估理論分析‘On-the-fly’:基于數(shù)值逼近MobilitydegradationGm由單個測量點處得到每次測量周期得到Gm整個測試過程中Gm不是一個恒定值應(yīng)該考慮遷移率的退化|Vg|StressTime|Vd|25mVIdId(n-1)Id(n)Stress

Vth的實際計算NBTI:Vg=constantGm恒定假設(shè)引起誤差采用gm(n-1)采用gm(n)采用平均值遷移率的變化增加而不是減小Vth漂移導(dǎo)致遷移率增加Increase問題采用公式估算Id退化量?VT~0.5V:?ID/ID~30%.

觀察不到通常,?ID/ID<10%.

?ID/ID

測量結(jié)果實際測量?ID/ID<10%分析假設(shè):IdvsVg為線性關(guān)系不合理斜率隨電壓漂移出現(xiàn)10倍變化|ID/(VG-VT0)|

4.3

10-5A/V|

ID/

VT|

3.7

10-6A/Vat|VG-VT0|=2.775V測量什么固定正電荷陷阱可充放陷阱:隧穿ANPCCPC快速測量方法快速測量:2-4倍On-the-fly:10反映機制不同不能直接相比較++++++SiO+++SiOOn-the-flyHigh|Vg|FastLow|Vg|閾值電壓

p溝MOSFET的閾值電壓隨時間下降SiO2和SiO2/Si界面缺陷結(jié)構(gòu)

H懸掛鍵(Dit)A：Si－Si鍵(氧空位)B：懸掛鍵C：Si－H鍵D：Si－OH鍵界面陷阱－Si有4個價鍵電子－體Si表面存在懸掛鍵：Dit～1014cm-2eV-1－氧化后：Dit～1012cm-2eV-1－H2/N2退化后：Dit～1010cm-2eV-1－Dit能級位于Si的禁帶中－H的主要作用NBTI的機制－空穴被吸引到SiO2/Si界面－弱化了Si－H鍵導(dǎo)致鍵斷裂－氫(H)擴散進入氧化層或者體Si中如果H進入體Si會鈍化硼離子－留下界面陷阱(Dit)界面陷阱電荷類受主：負電荷(平帶條件)類施主：正電荷(反型條件)閾值電壓變化估算－Nit和Nf

1010cm-2；0.1x1.0m柵面積(A=10-9cm2)=>存在10個界面陷阱和10個氧化層陷阱=>VT－對tox＝5nm＝>VT-5mVVT=-50mV(器件失效)＝>Nit=Nf=1011cm-2－對模擬差分電路，一個MOSFETVT-10mV而另一個VT-25mV，則二者差15mV占VT＝-0.3V＝>5％的不匹配。而高性能模擬器件對要求0.1%到0.01%的不匹配冗余度反應(yīng)－擴散模型－空穴和Si－H鍵作用－空穴弱化Si－H鍵－升溫器件下Si－H鍵斷裂－初始階段

Dit產(chǎn)生取決于Si－H鍵斷裂速率－以后Dit產(chǎn)生取決于H擴散速率反應(yīng)－擴散模型氫模型－氫從Si襯底漂移進入SiO2/Si界面－靠近或在SiO2/Si界面處的H0俘獲一個空穴＝>H+－H＋斷裂Si－H鍵＝>Dit和H2－一些H＋漂移進入SiO2＝>Not器件影響因素L依賴關(guān)系長溝：n～2；短溝：n～1

因此長溝退化更嚴(yán)重ID依賴關(guān)系

由于存在n，ID,sat比ID,lin退化更嚴(yán)重器件影響因素tox依賴關(guān)系隨著尺寸下降，tox

；VG－VT

因此同樣VT下薄氧化層退化更嚴(yán)重

eff依賴關(guān)系同樣VT下，tox

且Dit＝>eff

因此薄氧化層的遷移率退化更嚴(yán)重對電路的影響CMOS反相器的退化在靜態(tài)應(yīng)力過程中，pMOS的NBTI退化起主要作用對電路的影響主要出現(xiàn)在負柵偏壓的p溝MOSFET上，而正柵壓條件下可以忽略在MOS電路中，最經(jīng)常出現(xiàn)在p溝MOSFET“高壓”反型狀態(tài)由于邏輯電路中信號波形畸形導(dǎo)致時序漂移和潛在的電路失效不同時序路徑的非對稱退化導(dǎo)致敏感邏輯電路出現(xiàn)無功能現(xiàn)象＝>產(chǎn)品失效DC與AC應(yīng)力－應(yīng)力產(chǎn)生界面陷阱－Dit產(chǎn)生初始由Si－H解析速率決定后來由氫擴散速率決定－應(yīng)力結(jié)束氫反向擴散界面陷阱鈍化－DC：Dit產(chǎn)生－AC：Dit產(chǎn)生＋鈍化AC應(yīng)力的退化更小恢復(fù)特性－應(yīng)力結(jié)束，退化恢復(fù)－足夠長時間，退化恢復(fù)更徹底－應(yīng)力結(jié)束和測量直接時間非常關(guān)鍵

閾值電壓漏電流跨導(dǎo)界面陷阱遷移率恢復(fù)特性－溫度依賴關(guān)系－溫度越高，恢復(fù)越少

氫擴散離SiO2/Si界面越遠如果氫進入到多晶硅中，很難擴散回來氫的作用－氫通常用于界面陷阱鈍化(~400－450oC，20－30’)－氫存在形式氫原子H0

氫分子，H2

正氫離子或質(zhì)子，H+

羥(基)氫氧基，OH

水合氫,離子，H3O+

氫氧離子，OH-－據(jù)信氫是Si懸掛鍵的主要鈍化元素，在NBTI應(yīng)力中起主要作用氮的作用－氮可以減弱或加劇NBTI－氮增強了NBTI效應(yīng)－氮降低了激活能－氮分布影響碰撞界面處N越少越好－等離子氮化工藝令NBTI最?。瓱嵘L氧化層－NO退火和等離子氮化比較－減少柵漏電流(同樣厚度)－相似的退化規(guī)律－等離子鈍化工藝改善了NBTI－邏輯和混合信號特性都提高了氮的作用氮的作用氮的作用Si-SiO2

界面處N2

濃度越高interface:NBTI越顯著ProcessAProcessBProcessBProcessASasaki,EDL2003水的作用－氧化層中的水增強NBTI－觀察到潮濕的氧化層中Dit和Qox會增加－相對于干氧，濕H2－O2生長氧化層表現(xiàn)出的NBTI更嚴(yán)重－水經(jīng)常從接觸和通空進入到芯片里－水和濕氣絕大部分會沿著界面?zhèn)鞑ィ鄬τ赟i/SiO2界面處，水引發(fā)的反應(yīng)在Si/SiOxNy界面處具有更低的激活能=>氧化層中存在的水會增強NBTI氟的作用－氟改善了NBTI－SiO2/Si界面變得更穩(wěn)定－據(jù)信氟能夠釋放SiO2/Si界面存在的應(yīng)力氟的作用－進入到SiO2的氟原子提高了QBD－SIMS和傅立葉變換紅外譜＝>應(yīng)力層位于SiO2/Si界面附近－氟減小了Si－O應(yīng)力鍵的扭曲－氟擴散進入柵-氧化層－釋放處的氧原子會再氧化SiO2-Si界面－形成Si－F代替Si－H鍵－Si－F鍵比Si－H鍵穩(wěn)定氘的作用－金屬退化(~450oC/30分鐘)：氫和氘環(huán)境－SiO2/Si界面處形成Si－H鍵－Si－H鍵容易形成，但也容易斷裂－Si－D鍵更穩(wěn)定(氘是氫的穩(wěn)定同位素)－D2增強了抗熱載流子能力氘的作用－氘提高了NBTI－氘相對