NBTI und PBTI

Teil der Rubrik Zuverlässigkeit.

Negative Bias Temperature Instability ist der Mechanismus, der einen PMOS altern lässt, während er einfach nur eingeschaltet ist. Kein hoher Strom, keine heißen Ladungsträger, keine Schaltflanken -- es genügt, dass am Gate eine negative Spannung anliegt und das Bauteil warm ist.

Und er hat eine Eigenschaft, die ihn von allem anderen in dieser Rubrik unterscheidet: Er heilt zum Teil wieder aus.

Was passiert

An der Grenzfläche zwischen Silizium und Oxid ist das Kristallgitter zu Ende. Dort bleiben Siliziumatome mit einer freien Bindung zurück, und die werden bei der Herstellung mit Wasserstoff abgesättigt -- das ist der Sinn des Formiergas-Temperns. Ohne diese Passivierung wäre die Grenzfläche voller Oberflächenzustände und der Transistor unbrauchbar.

Diese Si-H-Bindungen sind aber nicht besonders fest. Unter negativer Gate-Spannung und erhöhter Temperatur brechen sie auf:

Zurück bleibt ein Grenzflächenzustand, der Ladung fängt und die Schwellspannung verschiebt. Der freigesetzte Wasserstoff diffundiert ins Oxid davon.

Das ist das Reaktions-Diffusions-Modell: Die Reaktion bricht Bindungen auf, die Diffusion trägt den Wasserstoff fort. Weil der Wasserstoff in der Nähe die Rückreaktion begünstigt, bestimmt der Abtransport die Geschwindigkeit -- und aus diesem Wettlauf folgt ein Potenzgesetz statt einer Exponentialfunktion:

Der kleine Exponent ist die gute Nachricht: Die Degradation wird mit der Zeit immer langsamer. Die schlechte ist, dass sie nie aufhört.

Der Unterschied zu Hot Carrier

Die beiden sind also fast komplementär. Ein Transistor, der dauernd eingeschaltet ist, sammelt NBTI; einer, der dauernd schaltet, sammelt HCI. Das ist auch der Grund, warum man sie in der Qualifikation getrennt stresst.

Die Erholung -- und warum sie ein Messproblem ist

Nimmt man den Stress weg, kommt ein Teil des Wasserstoffs zurück und sättigt die offenen Bindungen wieder ab. Die Schwellspannung wandert zurück.

Das klingt erfreulich, macht aber die Charakterisierung schwierig, denn die Erholung beginnt sofort -- innerhalb von Mikrosekunden nach dem Abschalten. Das klassische Verfahren, den Stress zu unterbrechen und dann in Ruhe eine Kennlinie aufzunehmen, misst deshalb systematisch zu wenig: Während man das Messgerät umkonfiguriert, ist ein erheblicher Teil der Degradation schon verschwunden.

Daraus sind zwei Techniken entstanden:

• Measure-Stress-Measure mit definierter, möglichst kurzer Verzögerung, und Angabe eben dieser Verzögerung. Ohne sie ist ein NBTI-Wert nicht vergleichbar.
• On-the-fly: messen, ohne den Stress überhaupt zu unterbrechen.

Die praktische Folge: Zwei Labore können denselben Prozess messen und um einen Faktor zwei auseinanderliegen -- nicht wegen unterschiedlicher Bauteile, sondern wegen unterschiedlicher Messverzögerung. Wer NBTI-Zahlen vergleicht, muss zuerst nach dem Messverfahren fragen.

Dass es überhaupt Erholung gibt, ist auch der Grund, warum das reine Reaktions-Diffusions-Bild heute als unvollständig gilt. Ein Teil der Verschiebung stammt aus Löchern, die in bereits vorhandenen Oxid-Traps gefangen werden und wieder herausfallen können -- ein schneller, gut reversibler Anteil neben dem langsamen, kaum reversiblen aus den gebrochenen Bindungen.

Wechselspannung ist deutlich gnädiger

Wenn die Erholung in den Pausen stattfindet, muss ein Transistor, der nur die halbe Zeit eingeschaltet ist, weniger altern als einer, der dauernd anliegt. Genau so ist es -- und zwar stärker als proportional: Die Degradation unter Wechselspannung liegt deutlich unter dem, was der reine Zeitanteil erwarten ließe.

Für die Auslegung heißt das:

• Aus Gleichspannungsmessungen darf man nicht direkt auf den Betrieb schließen. Wer das tut, dimensioniert zu konservativ.
• Umgekehrt sind Schaltungsteile mit hohem Tastverhältnis die kritischen -- Referenzen, Bias-Netzwerke, Pull-ups, alles, was dauerhaft anliegt.

PBTI: das Gegenstück, das erst mit High-k kam

Positive Bias Temperature Instability betrifft den NMOS mit positiver Gate-Spannung. Bei klassischem Siliziumdioxid ist sie so schwach, dass man sie ignorieren konnte -- deshalb spricht die ältere Literatur fast nur von NBTI.

Das änderte sich mit den High-k-Dielektrika. Als das Gateoxid durch Hafniumoxid ersetzt wurde, kam ein Material ins Spiel, das von Haus aus viele Traps mitbringt. Elektronen werden dort eingefangen, und die Schwellspannung des NMOS driftet.

Seither muss man beide Vorzeichen betrachten, und die Ursachen sind verschieden: NBTI sitzt an der Grenzfläche, PBTI im Volumen des High-k-Materials.

Was das in der Schaltung anrichtet

• Analoges Matching. Ein Differenzpaar, dessen eine Hälfte länger unter Stress stand, entwickelt einen Offset. Bei Referenzen und Komparatoren ist das der praktisch relevanteste NBTI-Effekt.
• Taktfrequenz. Ringoszillatoren werden über die Lebensdauer messbar langsamer -- der klassische Nachweis am fertigen Chip.
• SRAM. Beide PMOS einer Zelle driften, und die Lese- und Schreibreserven schrumpfen. In vielen Prozessen ist SRAM-Stabilität das, was die zulässige NBTI-Drift überhaupt festlegt.
• Guardband. Weil man die Alterung kennt, legt man die Schaltung von vornherein mit Reserve aus. Diese Reserve kostet Geschwindigkeit -- man bezahlt am ersten Tag für einen Zustand, der erst nach zehn Jahren eintritt.

Gegenmaßnahmen und ihre Zielkonflikte

Spannung senken ist auch hier der wirksamste Hebel, weil die Feldabhängigkeit steil ist.

Stickstoff an der Grenzfläche ist zweischneidig. Nitridiertes Oxid (SiON) war lange Standard: Es blockiert die Bordiffusion aus dem Gate und verbessert das TDDB-Verhalten. Gleichzeitig verschlechtert es NBTI deutlich. Der Stickstoffgehalt ist damit ein Kompromiss zwischen zwei Zuverlässigkeitsmechanismen -- man kann nicht beide gleichzeitig optimieren.

Und man kann mit der Alterung rechnen. Weil NBTI vorhersagbar ist, lässt sie sich in der Simulation mitführen: Man dimensioniert nicht für den Neuzustand, sondern für den Zustand am Ende der Lebensdauer.

Weiterführendes

• Zuverlässigkeit: Übersicht -- alle Mechanismen nebeneinander
• Hot-Carrier-Degradation -- der komplementäre Fall: lokal, beim Schalten, und schlimmer bei Kälte
• TDDB -- wo dieselbe Oxidbelastung nicht zur Drift, sondern zum Durchbruch führt
• Oberflächenzustände -- was die entstehenden Zustände elektrisch bedeuten
• MOS-Kapazität -- die Struktur, deren Schwellspannung hier wandert