TDDB·HCI·NBTI의 차이: 열화 메커니즘·스트레스 조건·특성 변화·평가 방법 비교
TDDB, HCI, NBTI는 모두 트랜지스터를 오래 쓰는 동안 조금씩 진행되는 마모 열화이지만, 원인이 되는 스트레스와 결과가 다릅니다. TDDB(경시 절연 파괴)는 게이트 절연막에 전계가 계속 걸려 막 안에 결함이 쌓이고, 마지막에 절연 파괴에 이르는 현상입니다. HCI(핫 캐리어 주입)는 전류가 흐르고 있을 때 드레인 근처의 강한 전계로 가속된 캐리어가 계면이나 절연막을 손상시키는 현상입니다. NBTI(음바이어스 온도 불안정성)는 pMOS의 게이트에 음의 전압이 걸린 상태가 고온에서 계속되면, 전류가 흐르지 않아도 문턱 전압의 절댓값이 커지는 현상입니다. TDDB는 트랜지스터를 망가뜨리고, HCI와 NBTI는 회로를 조금씩 느리게 합니다.
| 비교 항목 | TDDB(경시 절연 파괴) | HCI(핫 캐리어 주입) | NBTI(음바이어스 온도 불안정성) |
|---|---|---|---|
| 열화 메커니즘 | 전계가 걸린 절연막을 흐르는 약간의 전류가 막 안에 결함(트랩)을 만들고, 결함이 양쪽 전극 사이를 이으면 절연 파괴에 이른다 | 드레인 근처의 강한 전계에서 높은 에너지를 얻은 캐리어(핫 캐리어)가 계면 준위를 만들거나, 절연막에 주입되어 포획된다 | 음의 게이트 전압과 열로 Si/SiO2 계면의 Si–H 결합이 끊어져 계면 준위가 생기고, 절연막 안에 양의 전하가 쌓인다 |
| 작용하는 전계의 방향 | 절연막을 가로지르는 수직 방향의 전계 | 채널을 따르는 수평 방향의 전계(드레인 끝에서 최대) | 절연막을 가로지르는 수직 방향의 전계 |
| 스트레스가 걸리는 조건 | 게이트 절연막에 큰 전압이 걸려 있는 동안. 전류가 흐를 필요는 없다 | 전류가 흐르고 드레인에 높은 전압이 걸려 있는 동안. 디지털 회로에서는 주로 스위칭 도중 | pMOS의 게이트가 소스에 대해 음인 동안(게이트가 Low, 소스가 VDD). 전류는 흐르지 않아도 된다 |
| 주로 문제가 되는 소자 | 모든 게이트 절연막. 배선 사이의 절연막에서도 일어난다(배선의 TDDB) | 단채널 nMOS에서 문제가 되기 쉽다. 높은 전압에서 쓰는 입출력용 트랜지스터도 | pMOS. nMOS에 양의 게이트 전압이 걸려 일어나는 것은 PBTI이며, High-k 막에서 중요해졌다 |
| 변화하는 특성 | 게이트 누설 전류가 늘고, 소프트 브레이크다운을 거쳐 마지막에는 하드 브레이크다운(게이트 단락)에 이른다 | 문턱 전압의 변동, 이동도와 구동 전류의 저하. 열화가 드레인 쪽에 치우치므로 소스와 드레인을 바꿔 측정하면 특성이 비대칭이 된다 | 문턱 전압의 절댓값이 커지고, 구동 전류와 상호 컨덕턴스가 낮아진다 |
| 시간 변화와 회복 | 어느 시간에 갑자기 파괴된다. 파괴까지의 시간은 흩어지며 와이블 분포로 정리한다. 회복하지 않는다 | 시간의 거듭제곱에 따라 점점 늘어난다. 거의 회복하지 않는다 | 시간의 거듭제곱에 따라 늘어난다(지수가 작아 초기의 변화가 크다). 스트레스를 없애면 일부가 회복한다 |
| 온도와 전압 의존성 | 전계와 온도가 높을수록 수명이 짧다 | 주로 드레인 전압(수평 방향의 전계)으로 가속된다. 온도 의존성은 소자와 조건에 따라 달라지며, 저온에서 열화가 커지는 경우도 있다 | 게이트 전압과 온도로 강하게 가속되며, 고온일수록 크다 |
| 평가 방법 | 높은 전압과 온도에서 일정한 전압을 걸어 파괴될 때까지의 시간을 측정하고, 통계적으로 정리해 E 모델이나 1/E 모델 등으로 사용 조건에 외삽한다 | 사용 조건보다 높은 드레인 전압으로 스트레스를 걸고, 문턱 전압이나 구동 전류의 변화가 정한 양에 이를 때까지의 시간을 측정해 외삽한다. 기판 전류가 열화가 일어나기 쉬운 정도의 기준이 된다 | pMOS의 게이트에 음의 전압을 걸어 고온으로 유지하고, 문턱 전압의 변화를 측정한다. 회복하므로 스트레스를 멈춘 직후에, 또는 스트레스를 멈추지 않고 측정한다 |
| 주요 대책 | 절연막의 품질을 높인다, 전계를 억제하도록 전원 전압과 막 두께를 고른다 | LDD 구조나 익스텐션으로 드레인 끝의 전계를 낮춘다, 전원 전압을 낮춘다, 산질화막을 쓴다 | 계면과 절연막 공정의 개선, 열화를 고려한 타이밍 설계와 가드밴드 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.