pMOSFET的可靠性-NBTI （转）

本文转自芯苑，ic-garden.cn （由于芯苑会经常关闭站点，故转载存留）

当我们提起NMOS的可靠性的时候，大家随口就说HCI (Hot Carrier Injection)，她主要是由于短沟道效应导致的电子碰撞产生电子空穴对，而空穴被垂直栅极电场推进了substrate就成了Isub，而电子被Inject到gate端，与Si/SiO2的界面Si-H键碰撞使得Si-H键破裂重新产生界面陷阱电荷(Dit)，但是NMOS的Dit是产生在靠近Drain端的Gate OX哦，因为那里是pinch-off点，载流子最多碰撞几率最高。当然HCI只适用于NMOS，因为只有电子才有足够的动能(E=1/2*mV^2，公式里面速度比重量更重要)，所以只有热电子撞击晶格才能产生电子空穴对(Impact Ionization)，而她的表征参数就是Isub。(留给大家两个问题，第一个为什么Isub总是约等于1/2Vdd？第二个问题为什么Isub-Vg曲线总是先上升，然后再下降？甚至LDMOS还有有第二个峰？)

那么PMOS呢？难道她就不会decade？当然不是！虽然PMOS没有热电子，但是PMOS也有gate垂直电场，当PMOS工作在反型区(Vgs<=0)的时候沟道开启的空穴难道就不会被拉上去吗？理论上会，而且随着温度升高她还会更严重，所以这就是NBTI (Negative Bias Temperature Instability)，但是这个理论之所以一直没有被工业界考虑(至少比HCI晚10年，因为NMOS HCI在sub-micron时代就出问题了，但是PMOS到0.25um/0.18um才开始出现)，主要是因为0.35um时代以前都是buried channel，所以空穴还不能直接inject到GOX interface，但是到了0.25um/0.18um GOX变薄导致电场增强，GOX用湿氧，GOX掺NO等这些都是NBTI的杀手。

所以说NBTI从结果论来看，对栅极的危害和NMOS类似，都是产生了界面电荷导致了PMOS Vt变慢。只是形成机理不一样，PMOS是栅极电场并且搭配温度而已。还有一点要注意，和NMOS不一样的是PMOS是产生在整个沟道区。(下图a为NBTI，图b为HCI)

NBTI的模型理论我也不懂，但是很多文章都说了R-D Model (Reaction-Diffuse)，白话文就是Si-H的破裂变成H/H2然后diffuse出去的过程。她的过程大概可以分分解为：Hole到Si/SiO2 -> Si-H键破裂 -> "H"扩散到SiO2或Bulk ->Dit的产生。所以类似氧化的模型刚开始是Si-H破裂主导，后来到H/H2扩散主导。公式我就不讲了，也讲不清楚。

根据定性的模型讲解，NBTI和什么东西有关？首先是沟道长度L，长度越长越严重。其次是Idsat比Idlin严重，第三个是薄GOX比厚的严重。大家自己想一下吧，我也是自己想的。

NBTI的恢复特性，一般情况下，当应力结束(Vg为正)的时候，退化特性又会恢复，时间越长恢复越彻底，这主要是刚刚裂解的“H”又过来填补了Dit，但是如果那个H跑太远了就回不来了也就无法恢复了，所以温度越高越难恢复。

NBTI的影响因素？氮元素会降低Si-H的激活能，主要是Stress问题，所以界面尽量减少"N"浓度不过等离子氮化制程是例外哦，她是可以抑制NBTI的。另外还有“F”也会改善NBTI，她主要是释放界面应力，切Si-F键比Si-H键更稳定。另外一个比“Si-H”键更稳定的是Si-D (氘/dāo, 氢的二价同位素)，氘因为有一个中子，所以她质量更大更稳定，理论上用她来alloy会更好，只是她不适合用在process里。另外boron penetration也会使得NBTI更不好，因为GOX也会吸硼排磷进入到GOX的boron使得GOX生长的Si-O键不完整产生Dit。

好吧，到此讲完了！最后分享一篇NBTI的权威文章，我看过很多paper都是应用这一篇。<How do we understand NBTI?>。