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硅的末端?

负偏置温度不稳定性可能强制芯片制造商改变材料课程。

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随着晶体管收缩,并非所有设备参数以相同的速率缩放 - 其中呈现潜在的巨大问题。

近年来,制造商已经能够比操作电压更快地降低等效氧化层厚度(EOT)。因此,在通道和栅极介质中的电场一直在增加。此外,EOT的减少部分是通过减少SiO的厚度来实现的2SIO的一部分2/高k介电叠层包括栅极电介质。由于较薄的界面氧化物,即使在恒定场中也增加了隧道进入大容量的高k氧化物。增加功率密度意味着更高的操作温度,也进一步增加了装置应力。

时间依赖的介电击穿,热载体喷射和偏置温度不稳定性(BTI)是依赖的,所以所有三个都变得越来越令人担忧。在三个中,BTI随着电场最急剧增加。BTI是具有施加应力的阈值电压的偏移。当移位超过某个指定值时,通常为30 mV时,设备被认为失败。对于PFET,阈值电压对应于负栅极偏压,因此负偏置温度不稳定性(NBTI)是比正BTI更严重的问题。(NFETS的反向是真的。)

根据IBM.詹姆斯·斯蒂什斯,在工作了在2014年IEEE电子设备会议(IEDM)上,2013年ITRS路线图预计电压降低足以维持net的扩展。然而,在pFETs中,BTI的场依赖性更严重。NBTI可能最终会限制硅基pet器件的规模,Stathis说,这需要引入SiGe等替代品。

nbti做了什么?
多年来,业内一直在争论NBTI背后的机制,直到最近才达成共识。但从经验来看,结果相当糟糕。随着器件的收缩,电压分布会发生变化(截图2015-04-30下午1:34 .33 )在压力下扩大了。大型设备倾向于具有“平均”行为,并且可以看作是相同的。然而,在较小的设备中,由于NBTI由于NBTI而失败的时间很广泛:一些设备发生了很快,其他设备在测试的最长次上保持性能。相反,当压力被移除时,一些器件在一秒钟的级分中恢复很快,而其他设备则无法恢复测试的最长间隔。虽然失败和恢复均依赖于偏见,但这两种现象的时间常数不一样:一些设备快速失败并缓慢恢复,反之亦然。

NBTI损伤的快速局部恢复使得对这种现象的研究和电路设计中对其进行补偿的努力变得复杂。在很长一段时间里,由于施加压力和测量压力的困难,研究受到了阻碍截图2015-04-30下午1:34 .33 同时地。不同的实验室报告了广泛改变的NBTI行为,具体取决于压力和测量之间的(通常是未知)的时间间隔。对于设计人员,NBTI恢复意味着可靠性是占空比的函数以及压力。在一些测试中,较短的占空比 - 对应于应力之间的较长恢复间隔 - 将寿命增加十,甚至一百倍。这种占空比依赖,结合失败时代的极端变异,在设计人员上施加了几乎不可能的任务:当各个设备的特性不可预测时,试图实现可靠的,一致的性能。

NBTI如何工作?
已经考虑了许多解释NBTI行为的机制并丢弃。一个突出的模型,反应扩散理论,在Si/SiO的陷阱状态2界面是由与氢反应产生的,从介电体扩散到界面。在该模型中,失效时间和恢复时间的差异归因于界面和氢源之间的扩散时间。然而,随着设备的缩小,它们的行为越来越不符合这一观点。现代的电介质不够厚,也没有足够的氢来支持观测到的NBTI时间依赖性所暗示的扩散距离范围。故障时间与恢复时间的差异与基于扩散的故障/恢复模型不一致。

了解缩放设备中的NBTI需要使用应力,监视故障和恢复时同时测量设备性能。英飞凌的研究人员使用了技术被称为时间依赖性缺陷光谱(TDDS)以确切地完成。在TDDS中,施加到栅极的应力脉冲随后是连续测量阈值电压,通常为1,000秒。应力脉冲从200ns到100秒到100秒,每个脉冲重复高达256次,以评估电荷捕获和排放统计。生产质量缩放设备,如英飞凌研究中使用的设备通常只有大约两次接口陷阱,因此可以通过单个缺陷监测电荷捕获和解除捕获是可行的。

NBTI和随机电报噪音
在非偏见的装置中,将称为随机电报噪声(RTN)的现象发生作为自由电荷,通过热激励的影响移动通过材料,由存在或从存在的任何缺陷中捕获或发射。应用的偏压增加了这种平衡状态,激发载流子,并相对于现有缺陷的能量水平转移了费米水平。增加电场可以对载波提供更多缺陷的站点,增加捕获率。每个捕获事件将Vth转移到visit的金额,这取决于带隙中的缺陷的位置。一旦施加的应力被移除,去捕获变得更加积极良好。电场越低,载流量越高。每个发射事件再次恢复标称Vth的一部分,这取决于带隙中缺陷的位置。

基于其结果,英飞凌组描述了RTN和NBTI作为相同物理机制的两个方面。RTN代表平衡的电荷捕获和去捕获,而NBTI表示压力下的缺陷,试图建立新的平衡。实现均衡需要有限时间,反映在与NBTI应力相关的不同故障和恢复时间中。后来工作通过同一组分析了对BTI负责的缺陷详细介绍,结论是同样的潜在机制也是NFET中的PBTI。

由于掺杂剂和缺陷都是随机分布的,因此可能发生陷阱的应力水平分布相当广泛。Kaczer和他的同事们观察到的在脉冲之后,脉冲在脉冲之后的一秒钟的一小部分,缺陷会单独导致ΔVth超过30mV。恢复分布类似地广泛,但缺陷捕获时间和发射时间不一定相关。该组提出了一种渗透模型来描述分布屏幕截图2015-04-30在1.41.21 PM 转变。在阈值电压下,掺杂点之间形成连续的渗流通道,允许电流在源极和漏极之间流动。缺陷阻碍了这个路径,有效地增加了载波必须克服的额外阻力。

NBTI曲线的建模
整个设备的NBTI曲线由三种类型的缺陷定义:那些发射时间大于捕获时间的缺陷(截图2015-04-30下午1:37 .28 >>屏幕截图2015-04-30在1.37.41下午 ),与屏幕截图2015-04-30在1.37.41下午 >>截图2015-04-30下午1:37 .28 ,以及两个时间常数相似的情况。如果单个缺陷可以当作电阻用R =截图2015-04-30下午1:37 .28 /屏幕截图2015-04-30在1.37.41下午 然后晶体管的行为取决于它内的所有缺陷电阻的总和。因此,极端的行为 -截图2015-04-30下午1:37 .28 或大或小屏幕截图2015-04-30在1.37.41下午 -定义NBTI曲线的形状。平均数的测量截图2015-04-30下午1:34 .33 而方差截图2015-04-30下午1:34 .33 分布可以用来提取缺陷的平均数量和平均值截图2015-04-30下午1:34 .33 可归因于给定进程技术的单个捕获事件。

虽然详细的失败统计数据肯定有助于设计人员,但ΔVth分布的宽度仍然意味着在相对较短的时间和低累积应力之后,一些设备将失败。更糟糕的是,只需减少缺陷的数量并不能消除这些早期失败。这并不是说缺陷无关紧要。John Boland,营销总监应用材料前端产品组解释说,在实践中,NBTI非常依赖于接口质量。各种等离子体和热处理被用来强化氧化物和保持紧密的界面控制。减少缺陷总数可以增加最大寿命,减少平均寿命截图2015-04-30下午1:34 .33 转移。它只是不会消除早期失败的问题。无论缺陷数量多么小,他们仍将根据泊松统计分发。结果,捕获和排放行为也将随机行为。

令人震惊的是:先进的设备让生活变得更简单
但是,在地平线上有一些好消息。如上所述,通道中掺杂剂的随机分布有助于宽ΔVth分布。减少通道掺杂 - 或者完全消除它,因为完全耗尽的设备可以帮助缩小这种方差。确实,英特尔举报其22nm三栅极设备中几乎可忽略不计的NFET BTI。对于PFET的BTI显示了翅片取向依赖性,如预期的那样,但不受设备的身体偏差的影响。

另外的好消息来自发现,报道IMEC.在2014年IEDM,SiGe渠道已经被认为是由于其改进的流动性,也提供了大量的NBTI改善。更具体地,SiGe通道顶部的薄硅钝化层似乎似乎将通道孔的能量水平与介电缺陷的透射件分离。增加锗分数增加了这一偏移量。

当然,坏消息是,总是有别的东西要担心。虽然三门架构可以减少BTI,但热载体劣化变得更加重要,特别是对于窄鳍。任何BTI的优势,SiGe提供可能至少部分地被介电质量问题抵消。但是,NBTI现在是一个问题,那些其他问题躺在地平线上。目前,至少,缩放的可靠性约束似乎是可管理的。



1评论

陈明虎 说:

这是NBTI/PBTI目前状态的一个很好的快照。准确和丰富。这篇文章的标题有点过头了。

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