PMOS NBTI效应，从失效原理到主流工艺改善！

NBTI背景：

近年来，随着半导体工业的不断发展，集成电路设计及制造工艺取得了非常巨大的进步，越来越多的先进技术运用到集成电路制造工艺中，促进了集成电路尺寸的微缩。随着器件尺寸的不断缩小，尤其是进入先进技术节点之后，器件可靠性问题日趋严重，对器件的进一步微缩构成的很大挑战。其中PMOS负偏压温度不稳定性（Negative bias temperature instability， NBTI）尤为突出，严重限制了PMOS器件寿命，已成为器件微缩时比较棘手的问题之一。

NBTI：Negative bias temperature instability 负偏置温度不稳定性

在 PMOS 器件中，NBTI 是一种在特定条件下会发生的现象。当 PMOS 的栅极施加负电压，同时器件处于一定的温度环境时，随着时间推移，其阈值电压会逐渐升高，导致器件的性能下降。简单来说，就像是给 PMOS 这个 “小机器” 加上了一个不太正常的工作条件，时间长了它就 “不太对劲” 了，开始影响整个电路的正常运行，器件参数出现退化的一种现象。

从半导体物理器件知识角度来看，PMOS 工作时，在 n 型硅衬底上的两个 p + 区（源极和漏极）之间形成导电沟道，靠空穴的流动来运送电流。而 NBTI 就是在栅极加负偏压的情况下，对这个沟道的形成和载流子的传输产生了不利影响。

国内外已对NBTI效应开展了很多的研究，针对NBTI 缺陷形成机制及详细过程，提出了多种模型，主要分两大类：（1）界面态相关的模型，如被广泛接受的反应扩散（Reaction-Diffusion，RD）模型，认为硅-二氧化硅（Si-SiO2 ）界面的Si-H键在应力条件下被打破，生成的H（氢）物质向氧化层中输运。（2）空穴俘获模型（hole-trapping model），包括导带价带载流子发生弹性遂穿等，认为空穴通过遂穿进入氧化层，被陷阱俘获和释放，使器件发生退化和恢复。本文中针对于RD模型进行详解，以及讲述如何提高NBTI寿命公认的方法。

NBTI 的原理

界面态的产生：当 PMOS 栅极加上负偏压且处于一定温度下，在二氧化硅（SiO?）和硅衬底的界面处，会发生一系列复杂的物理反应。R-D Model(Reaction-Diffuse)：栅极的负电场会吸引硅衬底中的电子向界面移动，这些电子与界面处原本的化学键相互作用，导致部分 Si-H 键断裂。氢原子（H）从键中脱离出来，成为可移动的氢质子（H?）。而键断裂后留下的位置就形成了界面态。这些界面态就像是在原本顺畅的电子传输道路上设置了一些 “路障”，会影响电子的传输效率，进而影响 PMOS 器件的性能。

电荷陷阱：脱离出来的氢质子（H?）在电场作用下会向栅氧化层中扩散。在扩散过程中，它们可能会被氧化层中的一些缺陷或杂质捕获，形成电荷陷阱。这些电荷陷阱带有正电荷，会吸引沟道中的电子，使得沟道中的载流子浓度发生变化，进一步改变了器件的阈值电压和电流特性。可以把电荷陷阱想象成一个个 “小漩涡”，把原本正常流动的载流子给 “吸” 了进去，打乱了正常的电流传输秩序。

NBTI 的危害

随着 NBTI 效应的持续，PMOS 器件的阈值电压升高，这意味着要让器件导通需要更大的栅极电压。这不仅增加了电路的功耗，还会使器件的开关速度变慢。在集成电路中，众多 PMOS 器件协同工作，一个器件的性能下降可能会影响整个电路的运行速度和稳定性，严重时甚至可能导致电路出现错误的逻辑输出，影响电子产品的正常功能。

改善 NBTI 的方式

材料优化：

氧化层材料改进：研发新的栅氧化层材料，提高其抗 NBTI 性能。例如，采用高 k 介质材料（k 值代表材料的介电常数，高 k 介质材料具有较高的介电常数）来替代传统的二氧化硅。高 k 材料可以在相同电容下具有更厚的物理厚度，减少了电子隧穿的概率，从而降低了 NBTI 效应的发生。同时，一些高 k 材料本身对氢质子的捕获能力较弱，能减少电荷陷阱的形成。

衬底材料优化：对硅衬底进行特殊处理或采用新的衬底材料。比如，使用应变硅衬底，通过引入应力来改变硅的能带结构，提高载流子的迁移率，降低 NBTI 对器件性能的影响。应变硅衬底可以使硅原子的排列发生一定的改变，让载流子在其中移动更加顺畅，减少因 NBTI 导致的性能恶化。

工艺改进：

退火工艺优化：在制造过程中，通过优化退火工艺来改善界面质量。退火是一种热处理过程，可以修复界面处的一些缺陷，减少 Si-H 键的断裂。例如，采用快速热退火（RTA）工艺，在短时间内将器件加热到较高温度，然后迅速冷却。这样可以在不影响其他器件性能的前提下，有效减少界面态的产生，降低 NBTI 效应。

离子注入工艺调整：因为氢作为一种在晶圆制造过程中最常见的元素之一，常用于钝化Si/SiO2 界面的悬浮键，但Si-H键合力较弱，容易在NBTI应力下断裂。现在主流采用氟可取代氢形成Si-F键，且键合力更强，从而提高栅极氧化层对热载流子注入的抵抗能力，改善其NBTI特性；但是过多的氟离子可以加速硼原子在栅极氧化层中的扩散并且使得PN 结的漏电流加大，因此也需要注意离子注入浓度。

研究表明，下图BKM0.4：在PMOS源漏离子注入过程中增加F注入；BKM0.5：在PMOS源漏离子注入过程中增加F注入，同时将刻蚀阻挡层由压应力氮化硅更改为拉应力氮化硅。在源漏结注入过程中增加F离子注入，以及引入拉应力的氮化硅刻蚀阻挡层，可有效改善PMOS的NBTI寿命。