MOS 偏压温度不稳定性与测量窗口

MOS Bias Temperature Instability and Measurement Windows（BTI）也称偏置温度不稳定性、NBTI、负偏压温度不稳定性

把栅偏压、温度、缺陷电荷和测量延迟联系起来，区分真实老化与提取误差。

专深出处 3 份资料

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约 1 分钟

MOS器件在特定栅偏压和温度下，阈值、电流与跨导会随应力历史改变。常见的PMOS负栅偏压情形称为NBTI。应力撤除后有些变化会回退，因此记录到的漂移还取决于何时、以什么偏压和模型测量。

系统理解

约 2 分钟

先指定器件极性、栅叠层、应力电压、温度和时间，再比较应力前后电特性。氧化层俘获电荷及界面缺陷的数量和占据状态可共同改变阈值，界面散射还可能改变迁移率；同一个电流变化不能无条件归为一个阈值变化。

测量本身会改变偏压和时间窗口。中断应力的测量受恢复与延迟影响，不中断应力的方法也依赖初值、跨导和紧凑模型。必须同时报告应力时刻、读出延迟、读出偏压和阈值定义，再讨论模型拟合和电路裕量。

承接MOS电容、MOSFET与界面态；补充高温栅偏压资格测试背后的缺陷响应和计量边界，不重复其测试通过判据。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
阈值变化	V	同一提取规则及读出条件下的应力前后阈值差
应力时间与读出延迟	s	施加应力的累计时间及撤除应力到读出的等待时间
有效缺陷电荷变化	C/cm²	按读出表面势及占据状态折算的面电荷变化

常见误区

不切断应力的方法就不会产生任何测量误差。
电流变化只能来自阈值变化。
一个工艺拟合的时间指数可不经核验推广到所有栅叠层。

工程深入

12 条结论 · 2 道例题

应力、缺陷与电特性

定义

BTI要同时指定栅偏压极性和器件体系

BTI描述栅偏压与温度应力下随时间出现的MOS参数变化；PMOS在负栅偏压下的典型情形称为NBTI。极性名称描述应力配置，不能据此认定另一极性或另一栅叠层不存在老化。^{1, 2}

成立条件 区分栅对源、栅对体的电压定义；本节点以硅MOS的NBTI为主要说明，不把旧SiO₂结论直接当成全部高k或SiC器件规律

边界

PMOS阈值更负与阈值绝对值增大不是相反结论

采用带符号的PMOS阈值时，正有效缺陷电荷可使阈值向更负方向移动；若报告阈值绝对值，同一次变化就表现为绝对值增大。比较NBTI结果前必须先统一符号约定。^{2, 3}

成立条件 采用负阈值PMOS及正向定义的氧化层面电荷；实际漂移符号仍由缺陷电荷、占据状态和提取规则确定

公式

NBTI阈值电荷换算要固定读出占据状态

在氧化层电容及衬底条件不变的有效面电荷近似下，阈值变化等于负的有效电荷变化除以单位面积氧化层电容；界面态是否带电还随读出表面势而变，因此缺陷数相同不保证读出电荷相同。^{2, 3}

\Delta V_{\mathrm{th}}=-\frac{\Delta Q_{\mathrm{eff}}}{C_{\mathrm{ox}}}

$\Delta V_{\mathrm{th}}$: 带符号阈值变化单位 V
$\Delta Q_{\mathrm{eff}}$: 指定读出占据状态下的有效面电荷变化单位 C/cm²
$C_{\mathrm{ox}}$: 单位面积氧化层电容单位 F/cm²

成立条件 ΔQeff按同一读出偏压折算，包含相应氧化层及界面电荷变化；忽略应力造成的电容和掺杂变化；单位面积电荷与单位面积电容配对

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学近似中，读出状态新增1.00×10¹¹ cm⁻²的有效正单电荷，Cox=2.00 μF/cm²，求带符号阈值变化。

已知

有效正电荷面密度1.00×10¹¹ cm⁻²
q=1.602176634×10⁻¹⁹ C
Cox=2.00×10⁻⁶ F/cm²；电容及衬底条件不变

步骤

ΔQeff = 1.00×10¹¹×1.602176634×10⁻¹⁹ = 1.602176634×10⁻⁸ C/cm²先将有效单电荷数量换成面电荷，不另加占据率。
ΔVth = −1.602176634×10⁻⁸/(2.00×10⁻⁶) V ≈ −8.01 mV面电荷除以单位面积电容得到电压。

结果 ΔVth≈−8.01 mV。

若原PMOS阈值为负，这一位移会使其绝对值增大约8.01 mV。

适用边界 电荷面密度和电容为教学假设；结果不是任意工艺的NBTI预测，未计迁移率提取误差。

机制

电流老化包含阈值与迁移率两类贡献

NBTI造成的漏极电流及跨导变化，不一定仅由阈值位移决定；界面缺陷增加散射时，有效迁移率也可变化。只用一项电流退化反推出缺陷电荷，必须说明所忽略的参数变化。^{2, 3}

成立条件 比较应力前后相同读出偏压和温度；模型中迁移率与阈值可能相关，不能把拟合参数变化等同于唯一微观机制

测量窗口与模型边界

边界

中断应力后的第一读数已有一个时间窗口

测量—应力—测量方法在撤除栅应力后才能读出，期间的恢复会改变记录的漂移。报告结果时要给出撤压到第一采样点的延迟，不能把不同延迟的读数当成相同应力终点。³

成立条件 针对存在可恢复分量的器件和给定恢复偏压；不由一次迟延读数推断应力终点的全部缺陷数量

边界

不撤应力的读出仍需核验初值和转换模型

在线读出可避免每次测量都撤除应力，但仍须把电流变化通过模型转换成阈值变化；首个基准读数的延迟、迁移率变化与跨导估计误差都可能进入结果。³

成立条件 本条指文献所分析的on-the-fly线性电流方法，不泛指所有原位仪器；不能将某个数值模型里更准确的方法无条件称为所有仪器的最佳方法

公式

线性区迁移率变化可伪装成阈值位移

在小漏压、固定栅偏压的简化线性模型中，若把电流的全部变化归给阈值，迁移率的相对变化会产生一个与过驱动电压成比例的伪阈值位移。过驱动更大不等于阈值提取一定更可靠。³

\Delta V_{\mathrm{th}}^{\mu}\approx-\frac{\Delta\mu_{\mathrm{eff}}}{\mu_{\mathrm{eff},0}}V_{\mathrm{ov}}

$\Delta V_{\mathrm{th}}^{\mu}$: 只由迁移率变化被误归因而得到的伪阈值位移单位 V
$\Delta\mu_{\mathrm{eff}}$: 有效迁移率变化单位 cm²/(V·s)
$\mu_{\mathrm{eff},0}$: 初始有效迁移率单位 cm²/(V·s)
$V_{\mathrm{ov}}$: 所用nMOS符号模型的正过驱动电压单位 V

成立条件 采用文献的nMOS符号约定；pMOS须先统一符号或比较幅值；只保留迁移率变化的一阶项，固定漏压并忽略其他模型参数变化

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学线性区模型中，Vov=1.00 V，迁移率下降3.00%；若错误地全归为阈值变化，一阶伪位移多大？

已知

Vov=1.00 V
Δμeff/μeff,0=−0.0300
nMOS符号约定、小漏压，其余参数固定

步骤

ΔVth,μ ≈ −(−0.0300)×1.00 V = 0.0300 V迁移率下降带来的电流降低，被该模型错认成阈值升高。
0.0300 V = 30.0 mV换成毫伏，便于与实际拟合的阈值漂移比较。

结果一阶伪阈值位移约+30.0 mV。

这个数不是真实新增缺陷电荷造成的阈值位移。

适用边界 全部输入为教学假设；未将nMOS符号直接当成PMOS带符号结果，也不用于真实器件寿命外推。

边界

拟合时间指数前应先固定测量协议

同一应力过程，经不同延迟和不同电流到阈值转换模型处理，可得到不同的有效时间斜率。因此拟合幂律时间指数前，应固定测量协议及拟合区间，不能只凭指数数值确认一种微观机制。³

成立条件 这里的指数是有限测量区间中的有效拟合参数；不发布统一指数，也不将外推到零延迟视为直接测量

验证与电路影响

机制

不同缺陷模型不能只用一个恢复标签替代

解释NBTI可涉及氧化层俘获、界面缺陷与氢相关过程；不同模型对快慢分量及恢复的归属并不完全一致。使用某模型时应写出它的应力、恢复偏压和观察时段，不把所有残留变化都当成同一种永久缺陷。^{1, 2, 3}

成立条件 本条保留模型适用范围，不宣称一种模型已解释所有栅叠层；在有限窗口内未恢复，不等于任何条件下都不可恢复

关联

晶体管漂移要传递到电路裕量而非只看毫伏数

NBTI引起的阈值和驱动能力变化可改变逻辑路径延迟、振荡频率或SRAM噪声裕量；同样大小的阈值漂移，放在不同偏置和电路余量下，不具有统一的通过或失效结论。^{1, 2}

成立条件 电路结论需由相应工作点、负载和器件统计共同评估；不把某篇文献的阈值失效门槛当作全行业标准

边界

栅叠层与工艺差异限制跨工艺外推

氧化层、氮化程度、界面质量和相关热处理会改变NBTI响应；在一种栅叠层上拟合的参数，不应只按相同栅电压或相同应力时长复制到另一工艺。比较时还需核对电容、电场和测量窗口。^{1, 2}

成立条件 材料或处理趋势限于对应文献体系，不给通用最佳配方；不把2003年综述中的工艺温度建议作为当前制造规范

关联

不对称老化会增加器件对的失配

一对初始匹配的MOS器件若长期处在不同栅偏压和温度历史下，可获得不同的阈值变化；电路所见的是两者变化之差，而不只是两者平均漂移。初始匹配良好不保证老化后仍匹配。^{2, 3}

成立条件 比较采用同一阈值提取定义和读出状态；是否超出电路容限取决于实际匹配预算，不给固定通用百分比

出处

3 份资料 · 21 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- 第 6 章 §6.4.6，图58，本地重排PDF第637–639页，未核得稳定印刷页映射 支持：BTI要同时指定栅偏压极性和器件体系
- 第 6 章 §6.4.6，本地重排PDF第637页，未核得稳定印刷页映射 支持：不同缺陷模型不能只用一个恢复标签替代
- 第 6 章 §6.4.6与SRAM关联说明，本地重排PDF第637–638页，未核得稳定印刷页映射 支持：晶体管漂移要传递到电路裕量而非只看毫伏数
- 第 6 章 §6.4.6，图58前说明，本地重排PDF第637页，未核得稳定印刷页映射 支持：栅叠层与工艺差异限制跨工艺外推
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2
Negative bias temperature instability: Road to cross in deep submicron silicon semiconductor manufacturing
Dieter K. Schroder; Jeff A. Babcock · 2003
- section II Introduction，印刷第2–3页，PDF第2–3页 支持：BTI要同时指定栅偏压极性和器件体系
- section II–III，式(1)–(2)及式(5)，印刷第2–5页，PDF第2–5页 支持：PMOS阈值更负与阈值绝对值增大不是相反结论
- section III，式(2)、(5)，图4–5，印刷第3–6页，PDF第3–6页 支持：NBTI阈值电荷换算要固定读出占据状态
- section III，式(3)及其后说明，印刷第4页，PDF第4页 支持：电流老化包含阈值与迁移率两类贡献
- section IV A–B及VII，印刷第6–7、16页，PDF第6–7、16页 支持：不同缺陷模型不能只用一个恢复标签替代
- section II，印刷第2–3页，PDF第2–3页 支持：晶体管漂移要传递到电路裕量而非只看毫伏数
- sections V L、V O、VI，印刷第13–16页，PDF第13–16页 支持：栅叠层与工艺差异限制跨工艺外推
- section II及III，印刷第3、6页，PDF第3、6页 支持：不对称老化会增加器件对的失配
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3
A Rigorous Study of Measurement Techniques for Negative Bias Temperature Instability
Tibor Grasser; Paul-Jürgen Wagner; Philipp Hehenberger; Wolfgang Gös; Ben Kaczer · 2007
- section I，式(1)，印刷第6页，PDF第1页，section II脚注1，印刷第7页，PDF第2页 支持：PMOS阈值更负与阈值绝对值增大不是相反结论
- sections I–II，式(1)与界面电荷占据说明，印刷第6–7页，PDF第1–2页 支持：NBTI阈值电荷换算要固定读出占据状态
- section III A–C，式(9)–(14)、图2–3，印刷第8–9页，PDF第3–4页 支持：电流老化包含阈值与迁移率两类贡献
- sections I、IV A，图1、5–6，印刷第6、9–10页，PDF第1、4–5页 支持：中断应力后的第一读数已有一个时间窗口
- sections II B、IV B、V，式(5)–(8)，图7–9，印刷第7–8、10–11页，PDF第2–3、5–6页 支持：不撤应力的读出仍需核验初值和转换模型
- section III A，式(9)–(11)、图2–3，印刷第8页，PDF第3页 支持：线性区迁移率变化可伪装成阈值位移
- section IV B，图9，印刷第11页，PDF第6页 支持：拟合时间指数前应先固定测量协议
- section II及文末Questions and Answers，印刷第7、11页，PDF第2、6页 支持：不同缺陷模型不能只用一个恢复标签替代
- sections I–II，式(1)，印刷第6–7页，PDF第1–2页，按两器件阈值变化作差推导 支持：不对称老化会增加器件对的失配
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关键参数

常见误区

应力、缺陷与电特性

#BTI要同时指定栅偏压极性和器件体系

#PMOS阈值更负与阈值绝对值增大不是相反结论

#NBTI阈值电荷换算要固定读出占据状态

已知

步骤

#电流老化包含阈值与迁移率两类贡献

测量窗口与模型边界

#中断应力后的第一读数已有一个时间窗口

#不撤应力的读出仍需核验初值和转换模型

#线性区迁移率变化可伪装成阈值位移

已知

步骤

#拟合时间指数前应先固定测量协议

验证与电路影响

#不同缺陷模型不能只用一个恢复标签替代

#晶体管漂移要传递到电路裕量而非只看毫伏数

#栅叠层与工艺差异限制跨工艺外推

#不对称老化会增加器件对的失配

Physics of Semiconductor Devices

Negative bias temperature instability: Road to cross in deep submicron silicon semiconductor manufacturing

A Rigorous Study of Measurement Techniques for Negative Bias Temperature Instability