部分耗盡SOI MOSFET NBTI效應(yīng)研究

王成成 ，周龍達(dá)，蒲石 ，王芳楊紅 ，曾傳濱 韓鄭生 5，羅家俊卜建輝

1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029

2.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065

3.中國(guó)科學(xué)院硅器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

4.中國(guó)科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天工業(yè)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。航空航天器制造行業(yè)在工業(yè)化體系中的地位也變得十分重要[1]。航天器件的可靠性是空間元件的核心要求，航天器件面臨的可靠性主要包含發(fā)射回收時(shí)在大氣層內(nèi)摩擦導(dǎo)致的振蕩、太空中宇宙射線引起的突發(fā)故障以及晝夜溫差大引發(fā)的老化。這就要求航天產(chǎn)品耐老化、耐高溫、耐低溫、防輻射、防干擾、壽命高。以航空航天工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其所需的電子器件和感應(yīng)器都需要在超高溫環(huán)境下工作，因此航空航天對(duì)耐高溫器件和電路也有著迫切的需求。由于不存在寄生的底面PN結(jié)，與體硅MOSFET相比，SOI MOSFET在高溫領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在高溫領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。而負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)嚴(yán)重影響器件的高溫可靠性，因此對(duì)SOI MOSFET的NBTI效應(yīng)研究及壽命預(yù)測(cè)顯得尤為重要。

NBTI效應(yīng)是在高溫下(通常＞100℃)對(duì)PMOSFET柵極施加負(fù)柵壓和高溫應(yīng)力的條件下產(chǎn)生的一種效應(yīng)，表現(xiàn)為閾值電壓負(fù)向漂移、漏極飽和電流和跨導(dǎo)的減小等器件參數(shù)的變化。典型的應(yīng)力條件為恒定的負(fù)柵壓、源極漏極襯底均接地和高溫應(yīng)力[3]。NBTI現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，但對(duì)器件可靠性的影響并未得到足夠的重視。隨著超大規(guī)模集成電路向更小工藝尺寸的迅速發(fā)展，柵氧厚度越來越薄，在對(duì)器件可靠性的影響中，由NBTI效應(yīng)引發(fā)的PMOSFET器件退化逐漸成為影響器件壽命可靠性的主要因素，它比由溝道熱載流子效應(yīng)(HCI)引發(fā)的NMOSFET 器件壽命退化更為嚴(yán)重[4,5]。

1 NBTI效應(yīng)失效機(jī)理

NBTI效應(yīng)導(dǎo)致閾值電壓的負(fù)向漂移、漏極飽和電流和跨導(dǎo)的下降，其原因是在Si/SiO2界面附近產(chǎn)生了正電荷，正電荷的產(chǎn)生可以由界面缺陷或氧化層缺陷來解釋。普遍認(rèn)為,Si/SiO2界面陷阱為主要原因。對(duì)于PMOSFET 器件的NBTI界面陷阱的作用機(jī)理，人們進(jìn)行了大量的研究并且提出了很多模型，其中反應(yīng)擴(kuò)散（R-D）模型是被廣泛接受的一種模型[3,6]。在這種模型中，器件的退化取決于界面態(tài)的濃度和H 原子的擴(kuò)散速率在高的電場(chǎng)和溫度應(yīng)力下，反型層的空穴從硅表面注入到柵氧，使得Si/SiO2界面處的Si-H鍵斷裂，形成界面態(tài)和正的氧化層電荷，產(chǎn)生的H原子會(huì)擴(kuò)散到柵氧層中，或者與其他的H 原子結(jié)合形成H2擴(kuò)散出去，這樣就產(chǎn)生了界面態(tài)。而界面態(tài)是產(chǎn)生又會(huì)直接影響MOSFET 器件閾值電壓的變化，從而使得器件性能退化，NBTI退化如圖1所示。

圖1 NBTI退化示意圖Fig.1 NBTI degradation diagram

氫反應(yīng)模型的方程式為：

這里的H0為中性氫原子，但據(jù)研究表明，H+是界面處唯一穩(wěn)定的電荷態(tài)，而且H+可以和Si-H直接反應(yīng)形成界面陷阱，反應(yīng)方程式為：

Si3≡SiH 是硅表面含 H（被氫鈍化）的缺陷，Si3≡Si 是界面產(chǎn)生的硅懸掛鍵，即界面態(tài)陷阱中心，H+是氫離子或質(zhì)子，最終產(chǎn)生的H2擴(kuò)散出氧化層。

2 PDSOI器件NBTI效應(yīng)研究

2.1 加速應(yīng)力試驗(yàn)

對(duì)在理想的情況下，對(duì)器件施加其額定工作電壓等條件，然后觀察器件的可靠性變化情況，最后可以得出準(zhǔn)確的關(guān)于器件可靠性的結(jié)論。但是目前器件的工作壽命大多在幾年到十幾年之間，顯然做這種試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，加速應(yīng)力試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，加速應(yīng)力試驗(yàn)的原理是在保持失效機(jī)理不變的條件下，可以通過加大試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力來減小試驗(yàn)時(shí)間的辦法來對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，提高效率。目前最常用最成熟的是恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，在相對(duì)較少的時(shí)間內(nèi)，對(duì)樣品施加NBTI應(yīng)力，然后測(cè)得器件的相關(guān)參數(shù)在應(yīng)力前后的變化，利用外推法確定該失效機(jī)理的加速因子，能快速地預(yù)測(cè)器件在實(shí)際使用情況下的失效率。試驗(yàn)采用的就是恒定應(yīng)力加速測(cè)試的方法來對(duì)PDSOI器件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

2.2 試驗(yàn)方案

參考在NBTI 效應(yīng)中主要的器件參數(shù)退化為閾值電壓的漂移、驅(qū)動(dòng)電流和跨導(dǎo)的下降，其中閾值電壓參數(shù)退化最為嚴(yán)重，所以一般將閾值電壓漂移量作為壽命試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。本試驗(yàn)測(cè)試中采用的是1.2μm 工藝的PDSOI 器件，測(cè)試方法是基于加快應(yīng)力間隔中的測(cè)量速度的測(cè)量方法，測(cè)試流程如圖2 所示。由于時(shí)間有限，器件失效的壽命時(shí)間很難達(dá)到，所以測(cè)試過程中都是給定應(yīng)力一段時(shí)間來測(cè)試器件參數(shù)退化程度的。

圖2 NBTI效應(yīng)測(cè)試流程Fig.2 NBTI test flow

圖3為不同的測(cè)試速度時(shí)間條件下閾值電壓漂移結(jié)果(應(yīng)力時(shí)間t=5000s，溫度T=175℃，柵壓Vg=-8V，測(cè)試速度時(shí)間tfast=15μs，tslow=13ms）。當(dāng)應(yīng)力間隔中的測(cè)試速度時(shí)間較慢tslow時(shí)，相同時(shí)間點(diǎn)閾值電壓漂移量ΔVth減小，閾值電壓退化有所恢復(fù)，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本次試驗(yàn)中施加應(yīng)力后的測(cè)試采用的是快速測(cè)試方法，來進(jìn)行測(cè)量閾值電壓以減小漂移量的恢復(fù)。

根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)[7]，PMOSFET的NBTI效應(yīng)計(jì)算壽命通常使用Vg模型如圖4[8,9]所示，即得到Vg與失效時(shí)間TTF之間的關(guān)系即可。器件在三個(gè)不同柵壓（V1、V2、V3）應(yīng)力條件下，由閾值電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線，外推至失效指標(biāo)時(shí)得到失效時(shí)間（TTF1、TTF2、TTF3）。三組TTF線性擬合出一條直線，可以外推出在目標(biāo)電壓下的器件NBTI效應(yīng)的壽命。

具體的試驗(yàn)方案如下：

（1）同一應(yīng)力溫度不同柵壓下，應(yīng)力時(shí)間與閾值電壓漂移的關(guān)系：T=225℃，Vg=-8/-9/-10V。按對(duì)數(shù)等間隔原則選擇應(yīng)力時(shí)間間隔點(diǎn)，在確定的應(yīng)力時(shí)間完成閾值電壓的測(cè)量。

圖3 不同測(cè)試速度下的閾值電壓漂移量Fig.3 ΔVth at different testing speed

圖4 PMOSFET NBTI效應(yīng)壽命預(yù)測(cè)Fig.4 PMOSFET NBTI lifetime prediction

（2）根據(jù)得到不同柵壓下的應(yīng)力時(shí)間與閾值電壓漂移量的關(guān)系式，推算出在溫度T=225℃時(shí)，不同柵壓Vg=-8/-9/-10V 下的器件壽命。進(jìn)而得到有關(guān)柵壓與器件壽命的關(guān)系式，預(yù)測(cè)出目標(biāo)柵壓為-5V的器件壽命。

試驗(yàn)中需要測(cè)量的器件特性曲線為轉(zhuǎn)移曲線Id-Vg，進(jìn)而得到閾值電壓值。其中Vds=-0.1V，由于采用的是快速測(cè)試方法，Vgs范圍為涵蓋閾值電壓在內(nèi)的電壓區(qū)間，不同應(yīng)力條件組合下的Vgs范圍見表1。

2.3 NBTI效應(yīng)壽命預(yù)測(cè)

研究表明PMOSFET 的各種參數(shù)中，閾值電壓退化最為嚴(yán)重。用閾值電壓漂移量作為器件壽命評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行了NBTI壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)采用了器件寬長(zhǎng)比為W/L=20μm/2μm，測(cè)試溫度T=225℃，施加?xùn)艍篤g=-8/-9/-10V，應(yīng)力時(shí)間t=5000s。

表1 Vgs電壓范圍Table 1 Vgs voltage range

（1）器件轉(zhuǎn)移特性的退化

測(cè)量PMOSFET 器件的轉(zhuǎn)移特性曲線將源漏電壓設(shè)置為Vds=-0.1V，源極和襯底接地，溫度設(shè)置為T=225℃，Vg=-8V，柵極電壓Vgs從-1.05V掃描到-1.14V。圖5為得到的轉(zhuǎn)移特性數(shù)據(jù)和曲線，表明在施加NBT 應(yīng)力之后，產(chǎn)生了負(fù)的閾值電壓漂移和漏電流的減小，這是由于界面態(tài)和正氧化層固定電荷的產(chǎn)生造成的影響。

圖5 轉(zhuǎn)移特性曲線Id-Vg 隨應(yīng)力時(shí)間的退化Fig.5 Degradation of Id-Vg with t

（2）應(yīng)力時(shí)間t與閾值電壓漂移量的關(guān)系

通過NBTI失效機(jī)理的研究和JEDEC[7]中有關(guān)NBTI效應(yīng)模型（ΔVth=A×exp(Eaa/KT)×Vgα×tn），可以確定PMOSFET器件閾值電壓漂移量與應(yīng)力時(shí)間呈現(xiàn)出tn的小數(shù)冪指數(shù)關(guān)系ΔVth∞tn，通過試驗(yàn)測(cè)試確定時(shí)間參數(shù)n。經(jīng)過測(cè)試和數(shù)據(jù)擬合得到如圖6所示為T=225℃，Vg=-8/-9/-10V的三條曲線。

圖6中，橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)等間隔的時(shí)間坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為閾值電壓漂移量對(duì)數(shù)，可以非常明顯地看出，隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，閾值電壓的漂移量逐漸增大。得到的關(guān)系表達(dá)式見表2，并由表達(dá)式計(jì)算當(dāng)ΔVth=0.1V時(shí)的器件壽命TTF。

表2 器件TTF推算Table 2 Device TTF calculation

（3）柵壓與器件壽命的關(guān)系

JEDEC標(biāo)準(zhǔn)[7]中有關(guān)柵壓與器件壽命的關(guān)系模型TTF=(ΔVth/(A×exp(Eaa/KT) ×Vgα) )1/n，設(shè) TTF=(B×（1/Vgα））1/n兩邊取對(duì)數(shù)有：

圖6 閾值電壓漂移隨應(yīng)力時(shí)間的退化Fig.6 Degradation of ΔVth with t

由表2 溫度T=225℃下的三個(gè)柵壓的TTF 可以得出Vg與 TTF 之間（x-lgVg，y-lgTTF）的曲線擬合結(jié)果，如圖7 所示，關(guān)系表達(dá)式見表3。代入Vg=-5V 得到器件失效情況ΔVth=0.1V、T=225℃、Vg=-5V 時(shí)的器件壽命 TTF 約為 1.7年。按照相同方法，T=175℃條件失效情況下的器件壽命TTF約為31.3年。

圖7 器件Vg與TTF的關(guān)系Fig.7 Relation between Vg and TTF

3 結(jié)論

試驗(yàn)中對(duì)于基于1.2μm 工藝的PDSOI PMOSFET 器件進(jìn)行了NBTI效應(yīng)研究。研究中進(jìn)行了加速應(yīng)力試驗(yàn)，采用閾值電壓漂移量0.1V作為器件壽命評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，通過試驗(yàn)得到了NBTI 效應(yīng)對(duì)PDSOI 器件閾值電壓漂移的影響，并采用Vg模型進(jìn)行了PDSOI 器件的NBTI 效應(yīng)壽命預(yù)測(cè)，225℃約為 1.7 年，175℃約為 31.3 年，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自有 1.2μm工藝PDSOI器件的高溫可靠性評(píng)價(jià)。

表3 器件TTF推算Table 3 Device TTF calculation