部分耗盡SOI MOSFET NBTI效應研究

王成成 ，周龍達，蒲石 ，王芳楊紅 ，曾傳濱 韓鄭生 5，羅家俊卜建輝

1.中國科學院微電子研究所，北京 100029

2.航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710065

3.中國科學院硅器件技術重點實驗室，北京 100029

4.中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室，北京 100029

5.中國科學院大學，北京 100049

隨著科學技術的發展，航空航天工業已經成為衡量一個國家綜合實力的重要標志。航空航天器制造行業在工業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射回收時在大氣層內摩擦導致的振蕩、太空中宇宙射線引起的突發故障以及晝夜溫差大引發的老化。這就要求航天產品耐老化、耐高溫、耐低溫、防輻射、防干擾、壽命高。以航空航天工業中的發動機為例，其所需的電子器件和感應器都需要在超高溫環境下工作，因此航空航天對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，與體硅MOSFET相比，SOI MOSFET在高溫領域有著明顯的優勢，在高溫領域得到了廣泛應用[2]。而負偏壓溫度不穩定性效應(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)嚴重影響器件的高溫可靠性，因此對SOI MOSFET的NBTI效應研究及壽命預測顯得尤為重要。

NBTI效應是在高溫下(通常＞100℃)對PMOSFET柵極施加負柵壓和高溫應力的條件下產生的一種效應，表現為閾值電壓負向漂移、漏極飽和電流和跨導的減小等器件參數的變化。典型的應力條件為恒定的負柵壓、源極漏極襯底均接地和高溫應力[3]。NBTI現象很早就被發現，但對器件可靠性的影響并未得到足夠的重視。隨著超大規模集成電路向更小工藝尺寸的迅速發展，柵氧厚度越來越薄，在對器件可靠性的影響中，由NBTI效應引發的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(HCI)引發的NMOSFET 器件壽命退化更為嚴重[4,5]。

1 NBTI效應失效機理

NBTI效應導致閾值電壓的負向漂移、漏極飽和電流和跨導的下降，其原因是在Si/SiO2界面附近產生了正電荷，正電荷的產生可以由界面缺陷或氧化層缺陷來解釋。普遍認為,Si/SiO2界面陷阱為主要原因。對于PMOSFET 器件的NBTI界面陷阱的作用機理，人們進行了大量的研究并且提出了很多模型，其中反應擴散（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的濃度和H 原子的擴散速率在高的電場和溫度應力下，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，形成界面態和正的氧化層電荷，產生的H原子會擴散到柵氧層中，或者與其他的H 原子結合形成H2擴散出去，這樣就產生了界面態。而界面態是產生又會直接影響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

氫反應模型的方程式為：

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

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

2 PDSOI器件NBTI效應研究

2.1 加速應力試驗

對在理想的情況下，對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，最后可以得出準確的關于器件可靠性的結論。但是目前器件的工作壽命大多在幾年到十幾年之間，顯然做這種試驗是不現實的。因此，加速應力試驗應運而生，加速應力試驗的原理是在保持失效機理不變的條件下，可以通過加大試驗時的應力來減小試驗時間的辦法來對器件進行測試，提高效率。目前最常用最成熟的是恒定應力加速壽命試驗，在相對較少的時間內，對樣品施加NBTI應力，然后測得器件的相關參數在應力前后的變化，利用外推法確定該失效機理的加速因子，能快速地預測器件在實際使用情況下的失效率。試驗采用的就是恒定應力加速測試的方法來對PDSOI器件進行壽命預測。

2.2 試驗方案

參考在NBTI 效應中主要的器件參數退化為閾值電壓的漂移、驅動電流和跨導的下降，其中閾值電壓參數退化最為嚴重，所以一般將閾值電壓漂移量作為壽命試驗的標準參數。本試驗測試中采用的是1.2μm 工藝的PDSOI 器件，測試方法是基于加快應力間隔中的測量速度的測量方法，測試流程如圖2 所示。由于時間有限，器件失效的壽命時間很難達到，所以測試過程中都是給定應力一段時間來測試器件參數退化程度的。

圖2 NBTI效應測試流程Fig.2 NBTI test flow

圖3為不同的測試速度時間條件下閾值電壓漂移結果(應力時間t=5000s，溫度T=175℃，柵壓Vg=-8V，測試速度時間tfast=15μs，tslow=13ms）。當應力間隔中的測試速度時間較慢tslow時，相同時間點閾值電壓漂移量ΔVth減小，閾值電壓退化有所恢復，影響試驗數據結果的準確性。本次試驗中施加應力后的測試采用的是快速測試方法，來進行測量閾值電壓以減小漂移量的恢復。

根據JEDEC標準[7]，PMOSFET的NBTI效應計算壽命通常使用Vg模型如圖4[8,9]所示，即得到Vg與失效時間TTF之間的關系即可。器件在三個不同柵壓（V1、V2、V3）應力條件下，由閾值電壓與時間的關系曲線，外推至失效指標時得到失效時間（TTF1、TTF2、TTF3）。三組TTF線性擬合出一條直線，可以外推出在目標電壓下的器件NBTI效應的壽命。

具體的試驗方案如下：

（1）同一應力溫度不同柵壓下，應力時間與閾值電壓漂移的關系：T=225℃，Vg=-8/-9/-10V。按對數等間隔原則選擇應力時間間隔點，在確定的應力時間完成閾值電壓的測量。

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

圖4 PMOSFET NBTI效應壽命預測Fig.4 PMOSFET NBTI lifetime prediction

（2）根據得到不同柵壓下的應力時間與閾值電壓漂移量的關系式，推算出在溫度T=225℃時，不同柵壓Vg=-8/-9/-10V 下的器件壽命。進而得到有關柵壓與器件壽命的關系式，預測出目標柵壓為-5V的器件壽命。

試驗中需要測量的器件特性曲線為轉移曲線Id-Vg，進而得到閾值電壓值。其中Vds=-0.1V，由于采用的是快速測試方法，Vgs范圍為涵蓋閾值電壓在內的電壓區間，不同應力條件組合下的Vgs范圍見表1。

2.3 NBTI效應壽命預測

研究表明PMOSFET 的各種參數中，閾值電壓退化最為嚴重。用閾值電壓漂移量作為器件壽命評價的標準后進行了NBTI壽命試驗，試驗采用了器件寬長比為W/L=20μm/2μm，測試溫度T=225℃，施加柵壓Vg=-8/-9/-10V，應力時間t=5000s。

表1 Vgs電壓范圍Table 1 Vgs voltage range

（1）器件轉移特性的退化

測量PMOSFET 器件的轉移特性曲線將源漏電壓設置為Vds=-0.1V，源極和襯底接地，溫度設置為T=225℃，Vg=-8V，柵極電壓Vgs從-1.05V掃描到-1.14V。圖5為得到的轉移特性數據和曲線，表明在施加NBT 應力之后，產生了負的閾值電壓漂移和漏電流的減小，這是由于界面態和正氧化層固定電荷的產生造成的影響。

圖5 轉移特性曲線Id-Vg 隨應力時間的退化Fig.5 Degradation of Id-Vg with t

（2）應力時間t與閾值電壓漂移量的關系

通過NBTI失效機理的研究和JEDEC[7]中有關NBTI效應模型（ΔVth=A×exp(Eaa/KT)×Vgα×tn），可以確定PMOSFET器件閾值電壓漂移量與應力時間呈現出tn的小數冪指數關系ΔVth∞tn，通過試驗測試確定時間參數n。經過測試和數據擬合得到如圖6所示為T=225℃，Vg=-8/-9/-10V的三條曲線。

圖6中，橫坐標為對數等間隔的時間坐標，縱坐標為閾值電壓漂移量對數，可以非常明顯地看出，隨著試驗時間的推移，閾值電壓的漂移量逐漸增大。得到的關系表達式見表2，并由表達式計算當ΔVth=0.1V時的器件壽命TTF。

表2 器件TTF推算Table 2 Device TTF calculation

（3）柵壓與器件壽命的關系

JEDEC標準[7]中有關柵壓與器件壽命的關系模型TTF=(ΔVth/(A×exp(Eaa/KT) ×Vgα) )1/n，設 TTF=(B×（1/Vgα））1/n兩邊取對數有：

圖6 閾值電壓漂移隨應力時間的退化Fig.6 Degradation of ΔVth with t

由表2 溫度T=225℃下的三個柵壓的TTF 可以得出Vg與 TTF 之間（x-lgVg，y-lgTTF）的曲線擬合結果，如圖7 所示，關系表達式見表3。代入Vg=-5V 得到器件失效情況ΔVth=0.1V、T=225℃、Vg=-5V 時的器件壽命 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的關系Fig.7 Relation between Vg and TTF

3 結論

試驗中對于基于1.2μm 工藝的PDSOI PMOSFET 器件進行了NBTI效應研究。研究中進行了加速應力試驗，采用閾值電壓漂移量0.1V作為器件壽命評價的標準，通過試驗得到了NBTI 效應對PDSOI 器件閾值電壓漂移的影響，并采用Vg模型進行了PDSOI 器件的NBTI 效應壽命預測，225℃約為 1.7 年，175℃約為 31.3 年，實現了對自有 1.2μm工藝PDSOI器件的高溫可靠性評價。

表3 器件TTF推算Table 3 Device TTF calculation