有關負偏壓溫度不穩定性的研究

關於負偏壓溫度不穩定性現象在金屬氧化層半導體元件發展之 時就已被發現。所謂負偏壓溫度不穩定性考慮的是當P 型金屬氧化層 半導體場效應電晶體的閘極施加負偏壓，其餘各電極皆接地，在高溫 環境下造成界面陷阱和固定氧化層電荷（Fixed Oxide Charge）將隨著 時間而增加，使元件電性發生改變。例如：汲極電流和轉換電導

（Transconductance）的下降以及臨界電壓（Threshold Voltage）的增 加。這將影響到元件操作的穩定性，也間接的影響了產品的運作。又 由於負偏壓溫度不穩定性所造成的劣化程度會隨著金屬氧化層半導 體場效應電晶體的特徵尺寸下降而增加，尤其當元件的閘極氧化層厚 度微縮到 3.5nm 以下時，元件生命期（Lifetime）的限制將由負偏壓 溫度不穩定性來主宰。這也使得用來解決元件微縮的高介電常數閘極 電晶體其負偏壓溫度不穩定性被大量研究。

對於負偏壓溫度不穩定性的機制，在 1995 年時由學者Ogawa以 電化學式子來描述元件在負偏壓溫度強迫下所發生的機制。至於擴散 的物種（Species）是單原子氫（H）或單氫離子（H^＋），他也無法確 定，不過應以單原子氫較為可能[4]。在 1995 年之後，此說法逐漸成

(Reaction-Diffusion Model，R-D Model) 並以單原子氫為漂移物種的 斷 結構，造成 之矽懸鍵（Dangling Bond）即為界面陷阱並 隨之與 結合，造成界面的陷入電荷，而

Ogawa 將這些現象推導了一個經驗（Empirical）式如式子（3）[4]：

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)

E

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波茲曼常數 (Boltzmann’s Constant) 。其中界面缺陷數量的改變量與 強迫退化實驗時間為冪次關係，根據較新的研究指出 與強迫退化 實驗時間的冪次關係中其斜率將受到漂移物種為單原子氫或者為氫 分子的不同，斜率值將介於0.165~0.25 [6]。

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對於以上的矽表面之斷鍵反應 – 氫粒子漂移模型及經驗式，無

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法完全合理地解釋高介電常數材料在偏壓溫度壓迫測試下的結果。原 因在於高介電常數材料擁有大量的本體缺陷 (Bulk Defects)，使得高 介電常數材料內有著明顯的電荷捕捉/散逸現象。此一現象使得高介

極漏電流與退化實驗時間相關的數值。

對於氧化鉿（HfO2）以及氧化鋁（Al2O3）不同高介電常數介電 質其本體缺陷受到電荷捕捉現象的實驗結果[8]，驗證了上述物理模 型。間接證明了高介電常數材料內的本體缺陷是高介電常數閘極電晶 體在負偏壓溫度不穩定性測試下造成元件參數衰退的主要原因。

針對上述我們可以知道不同閘極介電層材料，其造成負偏壓溫度 不穩定性的機制是有些差別的。若元件的介電層為二氧化矽其受負偏 壓溫度不穩定性的主要機制是受到界面缺陷及固定氧化層的產生所 致；而元件的介電層若為高介電常數材料其受負偏壓溫度不穩定性的 機制主要是受到高介電常數薄膜本體的缺陷所致。