栅介质击穿与 TDDB 寿命表征

Gate Dielectric Breakdown and TDDB Lifetime Characterization（TDDB）也称时间相关介质击穿、栅氧击穿、time-dependent dielectric breakdown

把击穿判据、应力历史、样本分布与加速模型对应起来，而不是给氧化层指定一个永久安全场强。

专深出处 7 份资料

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约 1 分钟

栅介质在低于短时击穿场的持续应力下，也可能积累缺陷并形成导电路径。TDDB测量的是在明确条件和失效判据下到达击穿的时间分布，不是一次电压扫描得到的唯一材料常数。

系统理解

约 2 分钟

先确定恒压、恒流或电压斜坡应力及温度，再规定如何从电流、电压或噪声变化认定失效。软击穿、硬击穿和电路功能越限可以给出不同终点，不能混成同一套寿命样本。

缺陷生成与局域贯通把应力历史连接到失效；统计分布还受面积、预存缺陷和介质结构影响。加速外推需验证电压、电场和温度模型的适用区间，不能把薄SiO₂模型直接当成所有厚栅氧、高k和功率器件的签核公式。

先读MOS电容和栅介质隧穿，再将TDDB机理与已有HTGB资格试验联系；这里不重复HTGB的试验箱、载板和样本操作规范。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
击穿时间	s	在给定应力与失效判据下首次到达终点的时间
累积注入电荷	C 或 C/cm²	到达终点前通过介质的电流时间积分，需区分总量与面积归一化量
面积与分布参数	μm²；s；无量纲	受应力面积、特征寿命及形状参数须配套报告

常见误区

短时斜坡没有击穿就证明长期使用不会击穿。
软击穿没有大电流突跳就不需要判定。
不同厚度、面积和栅介质可共用同一组外推系数。

工程深入

12 条结论 · 2 道例题

失效定义与贯通机理

定义

TDDB的失效时钟从明确的应力与判据开始

TDDB描述介质在持续电应力下经过一段时间后失去所要求的绝缘性能。击穿时间必须随应力电压或电流、温度、结构和终点判据一起定义，不能与一次短时扫描的击穿电压互换。^{1, 2}

成立条件 限定同一种介质结构与测试终点；区分持续应力和电压斜坡的时间历史

机制

局域贯通比全片平均缺陷数更接近击穿条件

在渗流图像中，应力生成的缺陷与预存缺陷在局部连成贯穿介质的导电路径；即使平均缺陷密度相近，空间位置不同也可能使某个区域先形成薄弱通道。^{1, 2}

成立条件 渗流是具有适用边界的物理模型，不是逐个缺陷的直接成像；不把临界缺陷密度当成所有厚度和材料的同一个常数

应力方式与测量量

公式

击穿电荷需要积分电流并说明是否按面积归一化

总击穿电荷是到所选终点为止通过介质的电流积分。电流随时间变化时不能只用最后一个电流值乘总时长；总电荷QBD与单位面积电荷qBD也不是同一个数值。²

Q_{\mathrm{BD}}=\int_0^{t_{\mathrm{BD}}} I_g(t)\,\mathrm{d}t,\qquad q_{\mathrm{BD}}=\frac{Q_{\mathrm{BD}}}{A}

$Q_{\mathrm{BD}}$: 总注入电荷单位 C
$I_g$: 采用统一约定的注入电流大小单位 A
$t_{\mathrm{BD}}$: 所选判据对应的终点时间单位 s
$A$: 有效受应力面积单位 cm²
$q_{\mathrm{BD}}$: 单位面积注入电荷单位 C/cm²

成立条件 Ig为采用统一方向约定的注入电流大小，非把位移瞬变直接当作注入电流；面积归一化还需有效受应力面积A；总量与密度分别报告

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学样品在到达指定终点前，前100 s注入电流为2.00 nA，后40.0 s为5.00 nA；有效面积为1.00×10⁻⁴ cm²，求总电荷及面积归一化电荷。

已知

I1=2.00 nA，t1=100 s
I2=5.00 nA，t2=40.0 s
A=1.00×10⁻⁴ cm²；假设已排除位移瞬变

步骤

Q1 = 2.00×10⁻⁹×100 = 2.00×10⁻⁷ C对第一段恒定注入电流积分。
Q2 = 5.00×10⁻⁹×40.0 = 2.00×10⁻⁷ C对第二段积分，不能用终点电流代替全程。
QBD = 4.00×10⁻⁷ C；qBD = 4.00×10⁻³ C/cm²先相加，再除有效面积。

结果总电荷400 nC；面积归一化电荷4.00 mC/cm²。

时间、总量与面密度分别保留，才能比较注入历史。

适用边界 全部数字为教学假设，终点由题设给定，不意味着该电荷是任何栅介质的普适击穿阈值。

边界

恒压与恒流应力需要观察不同的电学响应

恒压应力保持施加电压并记录电流随时间的变化；恒流应力保持注入电流并观察维持该电流所需的电压。斜坡试验又引入持续变化的应力，三种原始曲线不能不加转换地合并成同一寿命样本。^{2, 3}

成立条件 记录控制量、响应量和测试历史；突变、软击穿及仪器限流可能对应不同终点

机制

软击穿与硬击穿需要分别定义检测终点

硬击穿常出现明显的绝缘丧失和电流或电压突变；软击穿的直流曲线变化可能较小，噪声变化等信息可帮助识别。失效判据应说明关注首次软击穿、硬击穿还是电路参数越限，而不是默认它们同时发生。^{3, 4}

成立条件 具体检测阈值由器件与测量方案规定；不以没有巨大电流跳变证明完全没有损伤

加速模型与统计边界

公式

E模型的场加速系数必须附带适用区间

在同温、同结构且E模型适用的区间，两个氧化层电场下的寿命比可写成电场差的负指数。场加速系数是所选模型和数据区间的参数；不能把这一关系当作任意厚度、任意栅介质的普适外推律。²

\frac{t_{\mathrm{BD}}(E_2)}{t_{\mathrm{BD}}(E_1)}=\exp[-\gamma(E_2-E_1)]

$t_{\mathrm{BD}}$: 同一判据及同一统计量的寿命单位 s
$E_1,\ E_2$: 两种应力氧化层电场大小单位 MV/cm
$\gamma$: 在所选区间拟合的场加速系数单位 cm/MV

成立条件 E1、E2使用相同电场单位，γ使用其倒数单位；同温且前因子与模型参数在比较范围内视为不变；寿命代表同一失效判据及同一统计量

边界

加速区间的好拟合不自动证明使用区间的模型正确

小时到月尺度的高应力数据需要借助模型才能投射更长的使用寿命；E、1/E或电压幂律等模型在测量区间可能都能拟合，却会给出不同的低应力预测。模型选择须保留物理假设和外推范围。^{1, 5}

成立条件 不把教材中的某一历史场强预测作为当前工艺的保证值；检查应力范围内是否发生机理或失效判据改变

公式

面积缩放需要同一失效族及可验证的最弱环节假设

在同一应力、同一判据、相同形状参数及最弱环节面积缩放成立时，更大受应力面积具有更短的特征击穿时间。改变面积会同时改变遇到薄弱区的概率；不能只把栅漏电按面积相乘而保持寿命分布不变。⁶

\frac{\eta_2}{\eta_1}=\left(\frac{A_1}{A_2}\right)^{1/\beta}

$\eta_1,\eta_2$: 两种面积的特征击穿时间单位 s
$A_1,A_2$: 有效受应力面积，采用同一单位单位 μm²
$\beta$: 保持不变的Weibull形状参数无量纲

成立条件 两个样品属于同一工艺与失效总体，β不变；η是对应Weibull约63.2%累计失效概率的尺度时间，不是每颗器件的保证寿命；β必须由数据或题设给出，不移植论文具体厚度的数值

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设同一失效总体满足最弱环节面积缩放，β=2，面积由100 μm²增至10000 μm²，原特征击穿时间为10000 s，求新特征时间。

已知

A1=100 μm²，A2=10000 μm²
η1=10000 s，β=2；同应力、同判据、同总体

步骤

A1/A2 = 100/10000 = 0.0100面积比无量纲。
η2/η1 = 0.0100¹⁄² = 0.100按给定形状参数作面积缩放。
η2 = 10000×0.100 = 1000 s得到相同累计概率位置的时间，不是最早失效时间。

结果新特征击穿时间为1000 s。

更大面积增加最弱环节暴露机会，时间比不与面积比简单成反比，除非β恰为1。

适用边界 数值、β与面积缩放成立均为教学假设；跨工艺、混合失效族或非均匀应力不能直接使用。

边界

温度加速不能预设一个处处不变的激活能

超薄栅氧研究报告过非Arrhenius温度依赖及随应力变化的加速参数。因此把高温数据转换到使用温度之前，应检验同一模型在所覆盖温度区间是否适用，而不是预设所有栅介质都有相同的固定激活能。⁴

成立条件 该观察不表示所有栅介质都必然偏离Arrhenius；固定激活能只在经数据支持的机理与区间内使用

工艺迁移与证据边界

机制

厚度对击穿的影响不能被压缩成单调安全规则

介质厚度改变缺陷贯通所需的空间链、注入输运和预存缺陷敏感性；有些厚度区间的击穿场随变薄而升高，更薄区间又可能受隧穿增强等因素限制。不能用一个厚度方向的趋势覆盖全部结构。^{2, 6}

成立条件 保持应力波形、面积和失效判据可比；不把教材图中某个转折厚度当作所有工艺的常数

边界

特征寿命与低失效概率寿命不能不加区分

一个寿命分布的特征时间只标记其中一个累计失效概率位置，不意味着所有器件在该时刻之前都完好。面向低失效概率的要求，需要读取相应分位位置，并保留拟合与样本不确定性。^{6, 7}

成立条件 同一分布形式、失效判据及应力条件；不能用一颗样品或一个平均时间替代总体尾部

机制

称为本征击穿也不意味着样品内绝无预存缺陷

高质量氧化层仍可能含有少量预存缺陷。厚氧化层研究表明，适当能级的低密度缺陷即可改变局域隧穿和击穿分布；因而分类为本征失效，并不能免去对制造历史与缺陷分布的检查。^{2, 6}

成立条件 该具体缺陷模型有材料和结构边界，不推广其能级与浓度数值；不要把模拟解释写成对每个样品缺陷的直接鉴定

出处

7 份资料 · 20 处引用

1
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits
Chenming C. Hu · 2010
- 第 7 章 §7.4，SiO₂ Breakdown Electric Field边栏，印刷第271–272页 支持：TDDB的失效时钟从明确的应力与判据开始
- 第 7 章 §7.4边栏续文，印刷第272页 支持：局域贯通比全片平均缺陷数更接近击穿条件
- 第 7 章 §7.4，SiO₂ Breakdown Electric Field边栏，印刷第271页 支持：加速区间的好拟合不自动证明使用区间的模型正确
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2
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- 第 4 章 §4.4.3，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：TDDB的失效时钟从明确的应力与判据开始
- 第 4 章 §4.4.3，图51，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：局域贯通比全片平均缺陷数更接近击穿条件
- 第 4 章 §4.4.3，式(86)–(87)之后的charge to breakdown定义，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：击穿电荷需要积分电流并说明是否按面积归一化
- 第 4 章 §4.4.3及图52–53，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：恒压与恒流应力需要观察不同的电学响应
- 第 4 章 §4.4.3，式(86)，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：E模型的场加速系数必须附带适用区间
- 第 4 章 §4.4.3，图52–53及说明，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：厚度对击穿的影响不能被压缩成单调安全规则
- 第 4 章 §4.4.3，图51及preexisting defects说明，重排电子版无可靠印刷页映射 支持：称为本征击穿也不意味着样品内绝无预存缺陷
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3
Modeling and Simulation of Negative Bias Temperature Instability
Robert Entner · 2007
- 5.2.1 节 Measurement of Breakdown，HTML，无本次实核PDF/印刷页码 支持：恒压与恒流应力需要观察不同的电学响应；软击穿与硬击穿需要分别定义检测终点
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4
Ultra-Thin Gate Oxide Reliability: Physical Models, Statistics, and Characterization
John S. Suehle · 2002
- NIST原作者出版记录Abstract，soft breakdown检测及circuit functionality段，只实读摘要，无实核全文页码 支持：软击穿与硬击穿需要分别定义检测终点
- NIST原作者出版记录Abstract，voltage dependent acceleration及non-Arrhenius temperature dependence句，只实读摘要，无实核全文页码 支持：温度加速不能预设一个处处不变的激活能
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5
Wear-out and Time Dependent Dielectric Breakdown in Silicon Oxides
John S. Suehle · 2009
- NIST原作者出版记录Abstract，physical mechanisms及power-law voltage acceleration model段，只实读摘要，无实核全文页码 支持：加速区间的好拟合不自动证明使用区间的模型正确
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6
On the “intrinsic” breakdown of thick gate oxide
Kin P. Cheung · 2022
- 作者稿PDF第2页，式(3)及area scaling说明，NIST公开稿，无正式期刊印刷页映射 支持：面积缩放需要同一失效族及可验证的最弱环节假设
- 作者稿PDF第1–3页，Introduction、Trap-assisted Tunneling model与Results，图2，无正式期刊印刷页映射 支持：厚度对击穿的影响不能被压缩成单调安全规则
- 作者稿PDF第2–3页，式(3)及图2，无正式期刊印刷页映射 支持：特征寿命与低失效概率寿命不能不加区分
- 作者稿PDF第1–3页，Trap-assisted Tunneling model与Results，无正式期刊印刷页映射 支持：称为本征击穿也不意味着样品内绝无预存缺陷
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7
NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods: 8.1.6.2 Weibull
NIST/SEMATECH
- 8.1.6.2 节 Weibull，CDF、Characteristic Life和parameter notation，官方HTML，无PDF/印刷页码 支持：特征寿命与低失效概率寿命不能不加区分
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关键参数

常见误区

失效定义与贯通机理

#TDDB的失效时钟从明确的应力与判据开始

#局域贯通比全片平均缺陷数更接近击穿条件

应力方式与测量量

#击穿电荷需要积分电流并说明是否按面积归一化

已知

步骤

#恒压与恒流应力需要观察不同的电学响应

#软击穿与硬击穿需要分别定义检测终点

加速模型与统计边界

#E模型的场加速系数必须附带适用区间

#加速区间的好拟合不自动证明使用区间的模型正确

#面积缩放需要同一失效族及可验证的最弱环节假设

已知

步骤

#温度加速不能预设一个处处不变的激活能

工艺迁移与证据边界

#厚度对击穿的影响不能被压缩成单调安全规则

#特征寿命与低失效概率寿命不能不加区分

#称为本征击穿也不意味着样品内绝无预存缺陷

Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits

Physics of Semiconductor Devices

Modeling and Simulation of Negative Bias Temperature Instability

Ultra-Thin Gate Oxide Reliability: Physical Models, Statistics, and Characterization

Wear-out and Time Dependent Dielectric Breakdown in Silicon Oxides

On the “intrinsic” breakdown of thick gate oxide

NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods: 8.1.6.2 Weibull