動態負偏壓溫度不穩定性 DNBTI

一般的 NBTI 在加 stress 是維持固定的負閘極偏壓來造成 stress 的效果，進而得到元件的可靠性。但如果我們考慮元件應用

在一個CMOS 反相器上的話，當輸入端為低電壓(0)，而輸出端為高 電壓時(1)，這時的情況類似於閘極加負偏壓，會造成 NBTI 效應，使 得VTH變大與Gm變小。相對的，當輸入端為高電壓(1)，而輸出端為 低電壓時(0)，這時的情況類似於閘極加正偏壓，發生的現象有兩種：

【圖 4-31】正偏壓溫度不穩定性 PBTI (Positive Bias Temperature Instabilities) 與回復，這個現象指出其實 NBTI 所造成的傷害是可以 部分回復的，因此在可靠性分析與元件生命期的要求上可以放寬一 點。所以設計了以下的實驗：以 2000 秒為一區段，分別加上閘極的 負正偏壓『負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場為-13MV/cm，

正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為+13MV/cm、0Volt、

+1Volt 或+2Volt』，共 12000 秒的 stress，在 125℃下進行，記錄其 VTH與 Gmmax的偏移。

先由【圖 4-32】顯示複晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層在不 同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極介電層垂直電場 -13MV/cm，

正 偏 壓 設 定 (Vgp) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 為 +13MV/cm 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，在前兩千秒 stress 後表現出前面章節 所提的 NBTI 的趨勢，但因 stress 的時間還不夠長，所以現象還不 明顯，在 2100 秒後在加正偏壓時同時會因為其電場而使得在負偏壓

溫度不穩定性 NBTI 時所產生的 H⁺會再跑回去與因 NBTI 形成的 positive fixed charge 及介面捕捉(interface trap)產生回復的效應。在 12000 秒的 125℃的 DNBT-stress 後依然有氮離子劑量越大則VTH偏 移越大的現象，如 125℃-DNBTI-E=13 MV/cm stress 12000 秒後的 VTH的偏移： N²⁺ 1x10¹³為-15.6mV，N²⁺ 1x10¹⁴為-16.5mV，N²⁺ 1x10¹⁵ 為-17.2mV，跟 NBTI-stress 比較起來，其增加的幅度下降。此外比 較 Control 片: 複晶矽閘極且氮氧化矽閘極介電層而在製程中沒有 片與 control 片經過 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn)為使閘極 介電層垂直電場為-13MV/cm，正偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直 電場為+13MV/cm 與 +1Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，其中正 偏壓設定(Vgp)為使閘極介電層垂直電場為+13MV/cm 的時候在 2100 秒之後偏移會在增加與正偏壓設定(Vgp)為+1Volt 的不同，其增加的 原因是由於TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown)。在加正 偏壓時產生回復的效應，但同時也有 TDDB。若是正偏壓設定(Vgp)

為+1Volt 則 TDDB 的效果不明顯。【圖 4-36、4-37、4-38】顯示複 晶矽鍺閘極且氮氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，氮氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 -13MV/cm ， 正 偏 壓 設 定 (Vgp)分 別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，這裡也是氮 離子劑量越大則VTH-12000s的偏移越大。【圖 4-39、4-40、4-41】是複 晶矽鍺閘極且二氧化矽閘極介電層在不同氮離子計量佈植對 DNBTI 的影響，二氧化矽閘極介電層在 12000 秒的 125℃，負偏壓設定(Vgn) 為 使 閘 極 介 電 層 垂 直 電 場 -13MV/cm ， 正 偏 壓 設 定 (Vgp) 分 別 為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH的偏移，這裡的結果 跟NBTI 的一樣，都是閘極氮離子佈植造成的 VTH的偏移。最後我們 壓設定(Vgp)分別為 0Volt、+1Volt、+2Volt 的 DNBT-stress 後 VTH

的偏移，stress2100 秒開始 VTH的偏移開始出現變化，明顯看的出 來正偏壓設定(Vgp)為+2Volt 的VTH回復比正偏壓設定(Vgp)為 0Volt

大的多，在 stress 12000 後 VTH的偏移: 正偏壓設定(Vgp) +2Volt 的偏移為-12.9mV，正偏壓設定(Vgp)為 +1Volt 的偏移為-14.6mV，

正偏壓設定(Vgp)為 0Volt 的偏移為-16.0mV。