TDDB versus HCI versus NBTI: slijtagemechanismen van transistors, stressvoorwaarden, parameterverschuivingen en testen
TDDB, HCI en NBTI zijn allemaal slijtagemechanismen die transistors gedurende hun levensduur langzaam degraderen, maar ze ontstaan door verschillende soorten stress en hebben verschillende gevolgen. TDDB (time-dependent dielectric breakdown) is de opbouw van defecten in een gatediëlektricum onder een aanhoudend veld totdat de laag uiteindelijk doorslaat. HCI (hot-carrierinjectie) is schade aan het grensvlak en het diëlektricum door ladingsdragers die in het sterke veld nabij de drain worden versneld terwijl er stroom loopt. NBTI (negative bias temperature instability) is de toename van de grootte van de drempelspanning van een pMOS waarvan de gate bij hoge temperatuur negatief wordt gehouden, zelfs zonder dat er stroom loopt. TDDB vernietigt de transistor; HCI en NBTI maken schakelingen geleidelijk trager.
| Kenmerk | TDDB (time-dependent dielectric breakdown) | HCI (hot-carrierinjectie) | NBTI (negative bias temperature instability) |
|---|---|---|---|
| Mechanisme | Een kleine stroom door het belaste diëlektricum maakt defecten (traps); wanneer de defecten de twee elektroden verbinden, slaat de laag door | Ladingsdragers die in het sterke veld nabij de drain veel energie krijgen (hete ladingsdragers), maken grensvlaktoestanden of worden in het diëlektricum geïnjecteerd en daar ingevangen | Negatieve gatespanning en warmte breken Si–H-bindingen aan het Si/SiO2-grensvlak, waardoor grensvlaktoestanden ontstaan, en er bouwt zich positieve lading op in het diëlektricum |
| Richting van het veld | Verticaal veld over het diëlektricum | Lateraal veld langs het kanaal (piek aan de drainkant) | Verticaal veld over het diëlektricum |
| Stressvoorwaarde | Zolang er een grote spanning over het gatediëlektricum staat; er hoeft geen stroom te lopen | Terwijl er stroom loopt bij een hoge drainspanning; in digitale schakelingen vooral tijdens het schakelen | Terwijl de gate van een pMOS negatief is ten opzichte van de source (gate laag, source op VDD); er hoeft geen stroom te lopen |
| Meest getroffen transistors | Elk gatediëlektricum; het treedt ook op in het diëlektricum tussen interconnectlijnen (BEOL-TDDB) | Doorgaans het ergst bij nMOS met kort kanaal; ook I/O-transistors die op hogere spanning werken | pMOS. De nMOS-tegenhanger bij positieve gatespanning is PBTI, die met high-k-lagen belangrijk werd |
| Wat verschuift | De gatelekstroom stijgt, gaat door soft breakdown en eindigt in hard breakdown (kortsluiting van de gate) | Verschuiving van de drempelspanning en lagere mobiliteit en aandrijfstroom. De schade is geconcentreerd aan de drainkant, dus het verwisselen van source en drain geeft asymmetrische karakteristieken | De grootte van de drempelspanning neemt toe en de aandrijfstroom en transconductantie nemen af |
| Tijdsafhankelijkheid en herstel | Plotseling falen na enige tijd; de tijd tot falen is gespreid en wordt geanalyseerd met een Weibull-verdeling. Geen herstel | Groeit geleidelijk als machtsfunctie van de tijd. Vrijwel geen herstel | Groeit als machtsfunctie van de tijd met een kleine exponent, dus een groot deel van de verandering gebeurt vroeg. Herstelt gedeeltelijk wanneer de stress wordt weggenomen |
| Temperatuur- en spanningsafhankelijkheid | De levensduur wordt korter bij een hoger veld en een hogere temperatuur | Vooral versneld door de drainspanning (lateraal veld). De temperatuurafhankelijkheid verschilt per transistor en per voorwaarde, en de degradatie kan bij lage temperatuur groter zijn | Sterk versneld door gatespanning en temperatuur; erger bij hoge temperatuur |
| Hoe het wordt getest | Constante spanning bij verhoogde spanning en temperatuur tot doorslag; de tijden tot falen worden statistisch geanalyseerd en met modellen zoals het E-model of het 1/E-model naar gebruiksomstandigheden geëxtrapoleerd | Stress bij een drainspanning boven de gebruiksomstandigheden, meten van de tijd totdat de verschuiving van de drempelspanning of aandrijfstroom een vast criterium bereikt, en daarna extrapoleren. De substraatstroom dient als indicator voor de gevoeligheid | De gate van een pMOS bij hoge temperatuur op negatieve spanning houden en de verschuiving van de drempelspanning meten. Omdat ze herstelt, wordt direct na het wegnemen van de stress gemeten, of zonder de stress weg te nemen |
| Belangrijkste tegenmaatregelen | Betere kwaliteit van het diëlektricum; voedingsspanning en laagdikte zo kiezen dat het veld beperkt blijft | LDD-structuren of extensies om het veld aan de drainrand te verlagen, lagere voedingsspanning, oxynitridelagen | Betere verwerking van grensvlak en diëlektricum; timingontwerp dat rekening houdt met veroudering, en guard bands |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.