部分耗尽SOI MOSFET NBTI效应研究

王成成 ，周龙达，蒲石 ，王芳杨红 ，曾传滨 韩郑生 5，罗家俊卜建辉

1.中国科学院微电子研究所，北京 100029

2.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065

3.中国科学院硅器件技术重点实验室，北京 100029

4.中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京 100029

5.中国科学院大学，北京 100049

随着科学技术的发展，航空航天工业已经成为衡量一个国家综合实力的重要标志。航空航天器制造行业在工业化体系中的地位也变得十分重要[1]。航天器件的可靠性是空间元件的核心要求，航天器件面临的可靠性主要包含发射回收时在大气层内摩擦导致的振荡、太空中宇宙射线引起的突发故障以及昼夜温差大引发的老化。这就要求航天产品耐老化、耐高温、耐低温、防辐射、防干扰、寿命高。以航空航天工业中的发动机为例，其所需的电子器件和感应器都需要在超高温环境下工作，因此航空航天对耐高温器件和电路也有着迫切的需求。由于不存在寄生的底面PN结，与体硅MOSFET相比，SOI MOSFET在高温领域有着明显的优势，在高温领域得到了广泛应用[2]。而负偏压温度不稳定性效应(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)严重影响器件的高温可靠性，因此对SOI MOSFET的NBTI效应研究及寿命预测显得尤为重要。

NBTI效应是在高温下(通常＞100℃)对PMOSFET栅极施加负栅压和高温应力的条件下产生的一种效应，表现为阈值电压负向漂移、漏极饱和电流和跨导的减小等器件参数的变化。典型的应力条件为恒定的负栅压、源极漏极衬底均接地和高温应力[3]。NBTI现象很早就被发现，但对器件可靠性的影响并未得到足够的重视。随着超大规模集成电路向更小工艺尺寸的迅速发展，栅氧厚度越来越薄，在对器件可靠性的影响中，由NBTI效应引发的PMOSFET器件退化逐渐成为影响器件寿命可靠性的主要因素，它比由沟道热载流子效应(HCI)引发的NMOSFET 器件寿命退化更为严重[4,5]。

1 NBTI效应失效机理

NBTI效应导致阈值电压的负向漂移、漏极饱和电流和跨导的下降，其原因是在Si/SiO2界面附近产生了正电荷，正电荷的产生可以由界面缺陷或氧化层缺陷来解释。普遍认为,Si/SiO2界面陷阱为主要原因。对于PMOSFET 器件的NBTI界面陷阱的作用机理，人们进行了大量的研究并且提出了很多模型，其中反应扩散（R-D）模型是被广泛接受的一种模型[3,6]。在这种模型中，器件的退化取决于界面态的浓度和H 原子的扩散速率在高的电场和温度应力下，反型层的空穴从硅表面注入到栅氧，使得Si/SiO2界面处的Si-H键断裂，形成界面态和正的氧化层电荷，产生的H原子会扩散到栅氧层中，或者与其他的H 原子结合形成H2扩散出去，这样就产生了界面态。而界面态是产生又会直接影响MOSFET 器件阈值电压的变化，从而使得器件性能退化，NBTI退化如图1所示。

图1 NBTI退化示意图Fig.1 NBTI degradation diagram

氢反应模型的方程式为：

这里的H0为中性氢原子，但据研究表明，H+是界面处唯一稳定的电荷态，而且H+可以和Si-H直接反应形成界面陷阱，反应方程式为：

Si3≡SiH 是硅表面含 H（被氢钝化）的缺陷，Si3≡Si 是界面产生的硅悬挂键，即界面态陷阱中心，H+是氢离子或质子，最终产生的H2扩散出氧化层。

2 PDSOI器件NBTI效应研究

2.1 加速应力试验

对在理想的情况下，对器件施加其额定工作电压等条件，然后观察器件的可靠性变化情况，最后可以得出准确的关于器件可靠性的结论。但是目前器件的工作寿命大多在几年到十几年之间，显然做这种试验是不现实的。因此，加速应力试验应运而生，加速应力试验的原理是在保持失效机理不变的条件下，可以通过加大试验时的应力来减小试验时间的办法来对器件进行测试，提高效率。目前最常用最成熟的是恒定应力加速寿命试验，在相对较少的时间内，对样品施加NBTI应力，然后测得器件的相关参数在应力前后的变化，利用外推法确定该失效机理的加速因子，能快速地预测器件在实际使用情况下的失效率。试验采用的就是恒定应力加速测试的方法来对PDSOI器件进行寿命预测。

2.2 试验方案

参考在NBTI 效应中主要的器件参数退化为阈值电压的漂移、驱动电流和跨导的下降，其中阈值电压参数退化最为严重，所以一般将阈值电压漂移量作为寿命试验的标准参数。本试验测试中采用的是1.2μm 工艺的PDSOI 器件，测试方法是基于加快应力间隔中的测量速度的测量方法，测试流程如图2 所示。由于时间有限，器件失效的寿命时间很难达到，所以测试过程中都是给定应力一段时间来测试器件参数退化程度的。

图2 NBTI效应测试流程Fig.2 NBTI test flow

图3为不同的测试速度时间条件下阈值电压漂移结果(应力时间t=5000s，温度T=175℃，栅压Vg=-8V，测试速度时间tfast=15μs，tslow=13ms）。当应力间隔中的测试速度时间较慢tslow时，相同时间点阈值电压漂移量ΔVth减小，阈值电压退化有所恢复，影响试验数据结果的准确性。本次试验中施加应力后的测试采用的是快速测试方法，来进行测量阈值电压以减小漂移量的恢复。

根据JEDEC标准[7]，PMOSFET的NBTI效应计算寿命通常使用Vg模型如图4[8,9]所示，即得到Vg与失效时间TTF之间的关系即可。器件在三个不同栅压（V1、V2、V3）应力条件下，由阈值电压与时间的关系曲线，外推至失效指标时得到失效时间（TTF1、TTF2、TTF3）。三组TTF线性拟合出一条直线，可以外推出在目标电压下的器件NBTI效应的寿命。

具体的试验方案如下：

（1）同一应力温度不同栅压下，应力时间与阈值电压漂移的关系：T=225℃，Vg=-8/-9/-10V。按对数等间隔原则选择应力时间间隔点，在确定的应力时间完成阈值电压的测量。

图3 不同测试速度下的阈值电压漂移量Fig.3 ΔVth at different testing speed

图4 PMOSFET NBTI效应寿命预测Fig.4 PMOSFET NBTI lifetime prediction

（2）根据得到不同栅压下的应力时间与阈值电压漂移量的关系式，推算出在温度T=225℃时，不同栅压Vg=-8/-9/-10V 下的器件寿命。进而得到有关栅压与器件寿命的关系式，预测出目标栅压为-5V的器件寿命。

试验中需要测量的器件特性曲线为转移曲线Id-Vg，进而得到阈值电压值。其中Vds=-0.1V，由于采用的是快速测试方法，Vgs范围为涵盖阈值电压在内的电压区间，不同应力条件组合下的Vgs范围见表1。

2.3 NBTI效应寿命预测

研究表明PMOSFET 的各种参数中，阈值电压退化最为严重。用阈值电压漂移量作为器件寿命评价的标准后进行了NBTI寿命试验，试验采用了器件宽长比为W/L=20μm/2μm，测试温度T=225℃，施加栅压Vg=-8/-9/-10V，应力时间t=5000s。

表1 Vgs电压范围Table 1 Vgs voltage range

（1）器件转移特性的退化

测量PMOSFET 器件的转移特性曲线将源漏电压设置为Vds=-0.1V，源极和衬底接地，温度设置为T=225℃，Vg=-8V，栅极电压Vgs从-1.05V扫描到-1.14V。图5为得到的转移特性数据和曲线，表明在施加NBT 应力之后，产生了负的阈值电压漂移和漏电流的减小，这是由于界面态和正氧化层固定电荷的产生造成的影响。

图5 转移特性曲线Id-Vg 随应力时间的退化Fig.5 Degradation of Id-Vg with t

（2）应力时间t与阈值电压漂移量的关系

通过NBTI失效机理的研究和JEDEC[7]中有关NBTI效应模型（ΔVth=A×exp(Eaa/KT)×Vgα×tn），可以确定PMOSFET器件阈值电压漂移量与应力时间呈现出tn的小数幂指数关系ΔVth∞tn，通过试验测试确定时间参数n。经过测试和数据拟合得到如图6所示为T=225℃，Vg=-8/-9/-10V的三条曲线。

图6中，横坐标为对数等间隔的时间坐标，纵坐标为阈值电压漂移量对数，可以非常明显地看出，随着试验时间的推移，阈值电压的漂移量逐渐增大。得到的关系表达式见表2，并由表达式计算当ΔVth=0.1V时的器件寿命TTF。

表2 器件TTF推算Table 2 Device TTF calculation

（3）栅压与器件寿命的关系

JEDEC标准[7]中有关栅压与器件寿命的关系模型TTF=(ΔVth/(A×exp(Eaa/KT) ×Vgα) )1/n，设 TTF=(B×（1/Vgα））1/n两边取对数有：

图6 阈值电压漂移随应力时间的退化Fig.6 Degradation of ΔVth with t

由表2 温度T=225℃下的三个栅压的TTF 可以得出Vg与 TTF 之间（x-lgVg，y-lgTTF）的曲线拟合结果，如图7 所示，关系表达式见表3。代入Vg=-5V 得到器件失效情况ΔVth=0.1V、T=225℃、Vg=-5V 时的器件寿命 TTF 约为 1.7年。按照相同方法，T=175℃条件失效情况下的器件寿命TTF约为31.3年。

图7 器件Vg与TTF的关系Fig.7 Relation between Vg and TTF

3 结论

试验中对于基于1.2μm 工艺的PDSOI PMOSFET 器件进行了NBTI效应研究。研究中进行了加速应力试验，采用阈值电压漂移量0.1V作为器件寿命评价的标准，通过试验得到了NBTI 效应对PDSOI 器件阈值电压漂移的影响，并采用Vg模型进行了PDSOI 器件的NBTI 效应寿命预测，225℃约为 1.7 年，175℃约为 31.3 年，实现了对自有 1.2μm工艺PDSOI器件的高温可靠性评价。

表3 器件TTF推算Table 3 Device TTF calculation