比例差值谱技术在微尺度器件可靠性研究中的最新应用

摘要：本文应用比例差分（PDO，Proportional Difference Operator）技术提出了一种新的表征微尺度MOS 器件负偏置温度不稳定性 (Negative Bias Temperature Instability, NBTI)的实验方法。和传统方法相比，这种新方法可以避免恢复效应对NBTI表征的影响。使用该方法, 本文研究了不同直流应力电压和应力温度对NBTI退化的影响。

1. 引言

图1 直流NBTI应力电压波形

随着集成电路步入系统芯片(SOC，System On Chip)时代,负偏置温度不稳定性（Negative bias temperature instability, NBTI）已经成为影响微尺度pMOSFET器件寿命的最重要的因素之一。它比热载流子效应引发的nMOSFET寿命退化更为严重^[1]。由于在测量阈值电压Vt时会有很强的NBTI恢复效应，致使人们很难了解NBTI效应的内在机制，同时由于恢复效应的影响，使得传统的Vt退化模型对器件寿命的预测值偏高。为了解决这个问题，人们提出了许多在线的表征技术，包括On-the-fly技术^[2]以及脉冲ID-VG技术^[3]。虽然On-the-fly可以避免恢复，但是由于迁移率的退化并不遵循线性变化规律，使得精确计算阈值电压漂移发生困难；而脉冲ID-VG技术是用示波器采集阈值电压数据的，使得测量精度降低。本文提出一种基于PDO技术的新的表征方法来提取阈值电压漂移。

2．测量与分析技术

2．1测量

为了避免NBTI恢复效应，栅上的NBTI应力电压在应力和测量阶段均维持恒定不变，测量应力栅电压条件下的MOSFET输出特性曲线。图1给出了直流应力条件下的NBTI效应测量时的MOSFET栅极和漏极的电压波形图。其中I是阈值电压测量间隔时区，II是阈值电压测量时区。从图中可以清楚看到在整个实验过程中栅压一直保持恒定不变。

实验流程如图2所示：

图2 直流应力下PDO在线表征NBTI的流程图

2.2比例差值谱（PDO）分析技术

2.2.1 比例差值谱函数理论^[4，5]

3.实验

图3 比例差值(PDO)处理器及其分析流程图

图4 105℃下10000秒应力前后峰值位置和栅压的关系，

峰值位置VDP用PDO技术从输出特性曲线的PDO谱中提取

3.1实验设备

HP4156B或BXT2931B半导体参数测试仪^[9]用来施加直流应力以及测量输出特性。TC2800温控仪设定实验温度。PDO处理器^[9]输出PDO谱图并得到阈值电压的漂移量。图3给出比例差值(PDO)处理器(a)及其分析流程图(b)。

3.2 实验

实验样管为氧化层厚度为2.5nm，宽长比为10/10 和10/0.1的pMOSFETs。器件的氧化层厚度用C-V测量和量子模拟器获得，沟长用S&R方法测得。HP4156B或BXT2931B半导体参数测试仪^[9]用来施加直流应力以及测量输出特性。实验的应力电压范围在-2.4V到-2.8V之间。测量均在无光环境进行，环境温度为27℃、75℃和105℃。

3.3实验结果

图4给出在105℃，10000秒应力前后峰值位置VDP和栅压VG的关系，其中峰值位置V_DP是用PDO技术从输出特性曲线提取的，漏端扫描电压范围为0V到-1.8V。从图中我们可以得到ΔV_ths=0.059V,ΔV_tho=0.061V。所以测量ΔV_ths和ΔV_thO是等效的。

图5给出长沟器件的测量结果。

图6 给出短沟器件的测量结果。

4．实验结果与讨论

4.1 直流应力下应力温度对NBTI的影响

图7给出了用PDO技术的在线表征方法得到的温度为27℃、75 ℃、105 ℃，长沟pMOSFET器件（W=10μm，L=10μm）、直流应力（VG=-3.2V）条件下的NBTI退化随时间的关系曲线。阈值电压的漂移和时间的关系仍然遵循Power Law关系，与文献^[10]的报道结果一致。

图8比较了温度为105℃时不同应力电压对短沟pMOSFET器件NBTI退化的影响。可以看出应力负偏压越大，退化越快^[11]。但是和传统方法提取得到的结果不同的是，阈值电压漂移和应力时间的关系不再符合Power law规律，而是分成了两段，第一段退化速度很快，退化率因子达到2.8，而第二段趋于饱和，退化率因子为0.2，且在不同的Vg电压下，两段分别是平行的，说明R-D过程和电荷注入过程均存在于直流应力NBTI效应中，且退化率因子是和电场无关的量。从图8还可以看出，最终所有的曲线趋于一点，这个现象类似于文献^[12]所报道的情况。

4.2 直流应力条件下，温度对短沟pMOSFET器件NBTI的影响

图9给出了在直流应力条件下，温度对退化率因子的影响。在90℃以下退化率基本上和温度无关，而在90℃以上，退化率随着温度的升高显著上升。

图10给出直流应力下，短沟pMOSFET器件阈值电压漂移和温度倒数(1/T)的关系，从图10可以看出，激活能为0.06eV左右，和文献^[13]中报道的结果0.063eV是一致的。

5．结论

用PDO技术进行NBTI效应在线表征可以有效的避免恢复效应。和常规方法相比，这种新方法给出了直流NBTI应力下最坏的退化情况。本文使用该方法得到：（1）27℃到105℃温度范围内，直流应力下的NBTI效应的激活能为0.06eV；（2）退化率因子在90℃以下与温度仅有微弱关系，而温度高于90℃时，随着温度的增加NBTI退化显著增强。由于新的方法避免了NBTI恢复效应，得到的实验结果有利于研究NBTI退化的物理本质。

6．感谢

感谢Motorola公司提供样片。本论文工作得到国家基础研究九七三项目（编号G2000036503）的支持。

参考文献

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[13] V. Huard, F. Monsieur, G. Ribes, and S. Bruyere, IRPS, pp178, 2003

作者简介

纪志罡，北京大学微电子学系硕士学位研究生，研究方向为超大规模集成电路微尺度MOS器件可靠性及其应用技术。

许铭真，北京大学教授，近期主要研究方向是微尺度MOS器件和材料可靠性物理以及可靠性应用技术。

谭长华，北京大学教授，研究方向是小尺寸半导体器件物理。

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