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TDDB vs HCI vs NBTI : mécanismes d’usure des transistors, conditions de contrainte, dérives des paramètres et tests

TDDB, HCI et NBTI sont tous des mécanismes d’usure qui dégradent lentement les transistors au cours de leur durée de vie, mais ils proviennent de contraintes différentes et ont des effets différents. Le TDDB (claquage diélectrique dépendant du temps) est l’accumulation de défauts dans un diélectrique de grille soumis à un champ prolongé, jusqu’au claquage final du film. L’HCI (injection de porteurs chauds) est l’endommagement de l’interface et du diélectrique par des porteurs accélérés dans le champ intense près du drain pendant que le courant circule. Le NBTI (instabilité en température sous polarisation négative) est l’augmentation de la valeur absolue de la tension de seuil d’un pMOS dont la grille est maintenue négative à haute température, même sans courant. Le TDDB détruit le transistor ; l’HCI et le NBTI ralentissent progressivement les circuits.

CritèreTDDB (claquage diélectrique dépendant du temps)HCI (injection de porteurs chauds)NBTI (instabilité en température sous polarisation négative)
MécanismeUn faible courant à travers le diélectrique sous contrainte crée des défauts (pièges) ; lorsque les défauts relient les deux électrodes, le film claqueLes porteurs qui acquièrent une énergie élevée dans le champ intense près du drain (porteurs chauds) créent des états d’interface ou sont injectés et piégés dans le diélectriqueUne polarisation de grille négative et la chaleur rompent les liaisons Si–H à l’interface Si/SiO2, ce qui crée des états d’interface, et une charge positive s’accumule dans le diélectrique
Direction du champChamp vertical à travers le diélectriqueChamp latéral le long du canal (maximal côté drain)Champ vertical à travers le diélectrique
Condition de contrainteDès qu’une tension élevée est appliquée au diélectrique de grille ; aucun courant n’est nécessairePendant que le courant circule sous une tension de drain élevée ; dans les circuits numériques, surtout pendant les commutationsPendant que la grille d’un pMOS est négative par rapport à sa source (grille à l’état bas, source à VDD) ; aucun courant n’est nécessaire
Transistors les plus touchésTout diélectrique de grille ; se produit aussi dans le diélectrique entre lignes d’interconnexion (TDDB du BEOL)Tend à être le plus marqué dans les nMOS à canal court ; touche aussi les transistors d’E/S fonctionnant à tension plus élevéeLes pMOS. L’équivalent nMOS sous polarisation de grille positive est le PBTI, devenu important avec les films high-k
Ce qui dériveLe courant de fuite de grille augmente, passe par un claquage doux (soft breakdown) et finit en claquage franc (court-circuit de grille)Dérive de la tension de seuil, baisse de la mobilité et du courant de commande. Les dégâts sont concentrés côté drain : intervertir source et drain donne des caractéristiques asymétriquesLa valeur absolue de la tension de seuil augmente, et le courant de commande et la transconductance diminuent
Dépendance temporelle et récupérationDéfaillance soudaine après un certain temps ; les temps jusqu’à la défaillance sont dispersés et analysés avec une loi de Weibull. Aucune récupérationCroît progressivement selon une loi de puissance du temps. Presque aucune récupérationCroît selon une loi de puissance du temps avec un petit exposant, si bien qu’une grande partie de la variation se produit tôt. Récupère en partie quand la contrainte est supprimée
Dépendance en température et en tensionLa durée de vie raccourcit sous champ plus élevé et à température plus élevéeAccélérée surtout par la tension de drain (champ latéral). La dépendance en température varie selon le transistor et les conditions, et la dégradation peut être plus forte à basse températureFortement accélérée par la tension de grille et la température ; plus marquée à haute température
Méthode de testTension constante à tension et température élevées jusqu’au claquage ; les temps jusqu’à la défaillance sont analysés statistiquement et extrapolés aux conditions d’utilisation avec des modèles comme le modèle E ou le modèle 1/EContrainte à une tension de drain supérieure aux conditions d’utilisation, mesure du temps jusqu’à ce que la dérive de la tension de seuil ou du courant de commande atteigne un critère fixé, puis extrapolation. Le courant de substrat sert d’indicateur de sensibilitéMaintenir la grille d’un pMOS en polarisation négative à haute température et mesurer la dérive de la tension de seuil. Comme elle récupère, on mesure juste après la suppression de la contrainte, ou sans la supprimer
Principales contre-mesuresMeilleure qualité du diélectrique ; choix de la tension d’alimentation et de l’épaisseur du film pour limiter le champStructures LDD ou extensions pour réduire le champ au bord du drain, tension d’alimentation plus basse, films d’oxynitrureMeilleure élaboration de l’interface et du diélectrique ; conception temporelle tenant compte du vieillissement et marges de garde (guard bands)

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

TDDB
À prendre en compte pour estimer les défaillances où un diélectrique claque et où la puce cesse de fonctionner. C’est l’une des conditions qui fixent l’épaisseur du diélectrique de grille et la tension maximale admissible. Dans les procédés avancés où les lignes sont très rapprochées, le TDDB du diélectrique entre lignes d’interconnexion compte aussi.
HCI
À traiter comme une dégradation qui ralentit progressivement les transistors qui commutent souvent. Elle progresse plus vite dans les circuits à forte activité et dépend de la tension d’alimentation et de la conception du champ au bord du drain. Elle doit aussi être vérifiée dans les E/S haute tension et les circuits analogiques.
NBTI
À traiter comme une dégradation qui ralentit progressivement les pMOS laissés passants à haute température. Son effet est important dans les cellules SRAM qui conservent longtemps la même valeur et dans les circuits dont l’horloge est arrêtée, et les LSI avancés prévoient pour lui une marge temporelle (guard bands). Pour les nMOS à grille métal/high-k, le PBTI est traité en même temps.

Questions fréquentes

Comment distinguer TDDB, HCI et NBTI ?

Par la condition de contrainte et le résultat. Si la dégradation progresse pendant qu’un champ est maintenu à travers le diélectrique de grille et se termine par le claquage du film, c’est le TDDB. Si elle progresse pendant que le courant circule sous une tension de drain élevée et que les dégâts sont concentrés côté drain, c’est l’HCI. Si elle progresse pendant que la grille d’un pMOS reste négative à haute température et récupère en partie quand la contrainte est supprimée, c’est le NBTI.

Quelle est la différence entre NBTI et PBTI ?

Le NBTI se produit dans les pMOS sous polarisation de grille négative ; les états d’interface et la charge positive dans le diélectrique augmentent la valeur absolue de la tension de seuil. Le PBTI se produit dans les nMOS sous polarisation de grille positive ; des électrons sont piégés dans les défauts des films high-k comme le HfO2 et la tension de seuil augmente. Le PBTI était faible avec les diélectriques de grille en SiO2 et est devenu important avec l’introduction des grilles métal/high-k. Ensemble, on les appelle BTI.

Pourquoi le moment de la mesure compte-t-il pour le NBTI ?

Quand la contrainte est supprimée, une partie de la charge piégée s’échappe et la dérive de la tension de seuil commence aussitôt à récupérer. Si la mesure a lieu longtemps après l’arrêt de la contrainte, la dégradation est sous-estimée. On utilise donc des mesures rapides ou des méthodes qui mesurent sans supprimer la contrainte. Les circuits réels commutent sans cesse, et cette récupération est donc aussi prise en compte pour estimer la durée de vie.

Comment obtient-on la durée de vie réelle à partir d’essais accélérés ?

On élève la tension et la température au-delà des conditions d’utilisation pour que le transistor se dégrade en peu de temps, on décrit avec des modèles la dépendance de la dégradation ou du temps jusqu’à la défaillance en fonction de la tension et de la température, puis on extrapole aux conditions d’utilisation. Le modèle d’Arrhenius est couramment utilisé pour la température, et pour le TDDB la dépendance en champ utilise le modèle E, le modèle 1/E ou d’autres. L’extrapolation couvrant une large plage, le choix du modèle peut changer la durée de vie prédite de plusieurs ordres de grandeur ; on choisit donc souvent un modèle prudent.

Vérifier vos connaissances

Quelle description du TDDB (claquage diélectrique dépendant du temps) est correcte ?

  1. AUn phénomène de déplacement des atomes métalliques des interconnexions par le courant
  2. BUn phénomène de fatigue des joints de brasure sous des variations de température répétées
  3. CUn phénomène où l'application continue d'un champ électrique sur l'isolant de grille provoque son claquage au bout d'un certain temps
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Réponse : C. Un phénomène où l'application continue d'un champ électrique sur l'isolant de grille provoque son claquage au bout d'un certain temps

Le TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) est le phénomène par lequel, même sous un champ insuffisant pour provoquer une destruction immédiate, une application prolongée crée progressivement des défauts dans l'isolant ; le claquage survient lorsque ces défauts se relient et forment un pont entre les électrodes. Plus l'isolant de grille est mince, plus le champ est intense : c'est un critère de fiabilité important. Il pose aussi problème dans les films Low-k entre interconnexions. Le déplacement des atomes des interconnexions relève de l'électromigration, la fatigue des brasures des défaillances par cyclage thermique.

Quel phénomène dégrade les caractéristiques d'un transistor lorsque des porteurs accélérés par le champ intense près du drain sont injectés dans l'isolant de grille ?

  1. ANBTI
  2. BInjection de porteurs chauds (HCI)
  3. CLatch-up
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Réponse : B. Injection de porteurs chauds (HCI)

Les porteurs circulant dans le canal, accélérés par le champ intense près du drain, deviennent des porteurs chauds de haute énergie ; une partie est injectée dans l'isolant de grille ou crée des états d'interface. La tension de seuil et le courant de commande varient en conséquence. On l'atténue par la structure LDD, qui abaisse le dopage en bordure de drain pour adoucir le champ, ou en réduisant la tension d'alimentation. La NBTI est une dégradation qui survient même sans courant, et le latch-up est la conduction d'un thyristor parasite.

Quel phénomène de dégradation voit la valeur absolue de la tension de seuil d'un transistor pMOS augmenter progressivement sous l'application continue d'une tension de grille négative et d'une température élevée ?

  1. ANBTI
  2. BÉlectromigration
  3. CESD
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Réponse : A. NBTI

La NBTI (Negative Bias Temperature Instability) est une dégradation où la polarisation de grille négative et la température élevée appliquées à un pMOS rompent les liaisons Si-H de l'interface Si/SiO2, augmentant les états d'interface, tandis que des charges positives s'accumulent aussi dans l'isolant : la valeur absolue de la tension de seuil augmente. La vitesse de fonctionnement des circuits diminuant progressivement au fil des années, une marge pour cette dégradation est prévue à la conception. Une récupération partielle après suppression de la contrainte la caractérise aussi.

  1. Comment appelle-t-on la dégradation par laquelle la tension de seuil d'un transistor nMOS High-k/grille métallique dérive sous l'application continue d'une tension de grille positive et d'une température élevée ?
  2. Pour la dégradation BTI, quelle précaution d'évaluation découlant de la récupération partielle de la variation de tension de seuil après suppression de la contrainte est correcte ?
  3. Pourquoi l'évaluation de la durée de vie TDDB applique-t-elle une tension supérieure à la tension réelle d'utilisation ?

Questions d'entraînement sur Fiabilité

Termes clés expliqués

TDDB (claquage diélectrique dépendant du temps)
Phénomène où un isolant soumis en continu à une tension finit par claquer même en dessous de sa tension de claquage. Sert à évaluer la durée de vie des oxydes de grille, etc.
Injection de porteurs chauds (HCI)
Phénomène où des porteurs accélérés par le champ intense près du drain sont injectés dans l'isolant de grille, entraînant des dégradations comme une dérive de la tension de seuil ou une baisse du courant de commande.
NBTI
Dégradation par laquelle la valeur absolue de la tension de seuil d'un pMOS augmente progressivement lorsqu'une tension négative est appliquée sur sa grille à haute température.
États d'interface
Niveaux d'énergie dans la bande interdite créés à l'interface semi-conducteur-isolant par des liaisons pendantes, etc. En piégeant et libérant des porteurs, ils causent des variations de tension de seuil, une baisse de mobilité et du bruit.
Structure LDD
Abréviation de Lightly Doped Drain. Structure où seule l'extrémité du drain côté grille est faiblement dopée pour atténuer le champ électrique et limiter la dégradation par porteurs chauds.
High-k/grille métallique
Association d'un isolant de grille à forte permittivité et d'une électrode de grille métallique. Elle limite les fuites de grille tout en conservant la capacité de grille.
Loi de Weibull
Loi de probabilité souvent utilisée pour l'analyse des données de durée de vie. Selon la valeur du paramètre de forme, elle représente les défaillances précoces, aléatoires ou d'usure.
Modèle d'Arrhenius
Modèle selon lequel la vitesse d'une réaction ou d'une dégradation varie avec la température selon exp(−Ea/kT). Sert à estimer la durée de vie à la température d'utilisation à partir d'essais accélérés à haute température.

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